JP2004155295A

JP2004155295A - Air conditioning system for automobile

Info

Publication number: JP2004155295A
Application number: JP2002322194A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Kurihara; 利行栗原; Ryuichi Sakamoto; 隆一坂本; Korehiro Odo; 維大大堂
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 2002-11-06
Filing date: 2002-11-06
Publication date: 2004-06-03
Anticipated expiration: 2022-11-06
Also published as: JP4321043B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide sufficiently high cooling capability by making use of air pole exhaust gas expanded by an expander in an air conditioning system for a fuel cell automobile. <P>SOLUTION: The expander (23) is connected with a fuel cell (70) to expand the air pole off gas with the expander (23). During an expansion process of the expander (23), temperature of the air pole off gas lowers, and vapor in the air pole off gas is condensed to generate condensed water. The lower temperature air pole off gas after being expanded and the condensed water generated by the expander (23) are supplied to a vapor cooling heat exchanger (14). The air supplied into a cabin (80) is also introduced into the vapor cooling heat exchanger (14). The air pole off gas absorbs heat from the supplied air and temperature rises in the vapor cooling heat exchanger (14), and the condensed water absorbs heat from the supplied air to be evaporated. The supplied air cooled by the vapor cooling heat exchanger (14) is sent into the cabin (80). <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池自動車用の空調システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車用の動力源として燃料電池が注目されている。自動車用の燃料電池では、その小型化を図るため、酸化剤としての空気を２〜３気圧程度にまで加圧する場合が多い。このため、燃料電池の空気極からは２〜３気圧程度の空気極オフガスが排出されることになる。そして、空気極オフガスは、大気圧まで減圧されてから車外へ排出される。
【０００３】
特許文献１には、空気極オフガスの減圧に膨張機を用いることが開示されている。つまり、空気極オフガスを膨張機で膨張させることで動力回収を行い、燃料電池へ供給される空気の圧縮に回収した動力を利用して、空気の圧縮に要する動力の削減を図っている。
【０００４】
膨張機での膨張過程においては、空気極オフガスの温度が低下する。そこで、特許文献２には、膨張後の空気極オフガスを利用して、車室内の空調を行うことが開示されている。つまり、膨張機から送出された低温の空気極オフガスを車室内への供給空気と熱交換させ、この供給空気を冷却して車室内へ送ることによって車室内を冷房している。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−１４９９７２
【特許文献２】
特開２００１− ３０７４２
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許文献２に開示されたもののように、膨張機からの空気極オフガスを単に供給空気と熱交換させるだけでは、充分な冷房能力が得られないという問題があった。この問題点について説明する。
【０００７】
例えば、２気圧５０℃で相対湿度９０％の空気極オフガスを１気圧まで断熱膨張（等エントロピ膨張）させた場合、膨張後における空気極オフガスの温度は１０℃程度までしか低下しない。これは、膨張過程で空気極オフガス中の水蒸気が凝縮する際に凝縮熱を放出するからである。このため、冷却対象の供給空気と膨張後の空気極オフガスとの温度差をさほど大きく取れなくなり、供給空気をあまり低温まで冷却できないことから、充分な冷房能力が得られないという問題があった。
【０００８】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、燃料電池自動車に用いられる空調システムにおいて、膨張機で膨張させた空気極排ガスを利用して充分な冷房能力を得ることにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、燃料電池（７０）を動力源とする自動車に搭載される空調システムを対象としている。そして、燃料電池（７０）へ供給される空気を圧縮する圧縮機（２０）と、上記燃料電池（７０）から排出された空気極オフガスを冷却して該空気極オフガス中の水分を凝縮させる凝縮予冷器（１３）と、上記凝縮予冷器（１３）から送り込まれた空気極オフガスを膨張させて動力回収を行う膨張機（２３）と、膨張後の空気極オフガスと膨張過程で生じた凝縮水とが上記膨張機（２３）から供給され、供給された空気極オフガスの顕熱と凝縮水の蒸発熱とを利用して車室内への供給空気を冷却する給気冷却器（１４）とを備えるものである。
【００１０】
請求項２の発明は、請求項１に記載の自動車用空調システムにおいて、給気冷却器（１４）は、膨張機（２３）で生成した凝縮水が重力により流れ込むように該膨張機（２３）の下方に配置されるものである。
【００１１】
請求項３の発明は、請求項１に記載の自動車用空調システムにおいて、凝縮予冷器（１３）で生成した凝縮水を利用して圧縮機（２０）から燃料電池（７０）へ供給される空気を加湿可能となっているものである。
【００１２】
請求項４の発明は、請求項１に記載の自動車用空調システムにおいて、凝縮予冷器（１３）で生成した凝縮水を給気冷却器（１４）へ供給して該凝縮水の蒸発熱をも供給空気の冷却に利用可能となっているものである。
【００１３】
請求項５の発明は、請求項４に記載の自動車用空調システムにおいて、凝縮予冷器（１３）で生成した凝縮水を貯留する水タンク（５０）を備え、給気冷却器（１４）で蒸発しなかった凝縮水を上記水タンク（５０）へ回収可能となっているものである。
【００１４】
請求項６の発明は、請求項１に記載の自動車用空調システムにおいて、凝縮予冷器（１３）は、空気極オフガスを冷却用空気と熱交換させて冷却しているものである。
【００１５】
請求項７の発明は、請求項６に記載の自動車用空調システムにおいて、凝縮予冷器（１３）で生成した凝縮水を冷却用空気へ供給して該凝縮水の蒸発熱を空気極オフガスの冷却に利用可能となっているものである。
【００１６】
請求項８の発明は、請求項１に記載の自動車用空調システムにおいて、膨張機（２３）から送り出された空気極オフガスの温度を計測するための温度センサ（６５）と、上記温度センサ（６５）で計測された値が所定値以上となるように自動車用空調システムの運転を制御する制御動作を行う制御手段（６１）とを備えるものである。
【００１７】
請求項９の発明は、請求項８に記載の自動車用空調システムにおいて、空気極オフガスが凝縮予冷器（１３）をバイパスするように該凝縮予冷器（１３）の上流と下流を連通させると共に、燃料電池（７０）から排出された空気極オフガスのうち上記凝縮予冷器（１３）をバイパスするものの割合を変更可能なバイパス通路（４３）を備える一方、制御手段（６１）では、上記燃料電池（７０）から排出された空気極オフガスのうち上記凝縮予冷器（１３）をバイパスするものの割合を調節する動作が制御動作として行われるものである。
【００１８】
請求項１０の発明は、請求項８に記載の自動車用空調システムにおいて、凝縮予冷器（１３）は、空気極オフガスを冷却用空気と熱交換させて冷却する一方、制御手段（６１）では、上記凝縮予冷器（１３）に対する冷却用空気の供給量を調節する動作が制御動作として行われるものである。
【００１９】
請求項１１の発明は、請求項８に記載の自動車用空調システムにおいて、凝縮予冷器（１３）は、空気極オフガスを冷却用空気と熱交換させて冷却する一方、上記凝縮予冷器（１３）で生成した凝縮水を冷却用空気へ供給して該凝縮水の蒸発熱を空気極オフガスの冷却に利用可能となっており、制御手段（６１）では、上記冷却用空気に対する凝縮水の供給量を変更する動作が制御動作として行われるものである。
【００２０】
請求項１２の発明は、請求項１に記載の自動車用空調システムにおいて、空気極オフガスが膨張機（２３）をバイパスするように該膨張機（２３）の上流と下流を連通させると共に、凝縮予冷器（１３）から送出された空気極オフガスのうち上記膨張機（２３）をバイパスするものの割合を変更可能なバイパス通路（４５）と、給気冷却器（１４）で得られる冷却能力を調節するために、上記凝縮予冷器（１３）から送出された空気極オフガスのうち上記膨張機（２３）をバイパスするものの割合を調節する制御手段（６３）とを備えるものである。
【００２１】
請求項１３の発明は、請求項１に記載の自動車用空調システムにおいて、圧縮機（２０）から吐出された高圧空気が燃料電池（７０）をバイパスするように該燃料電池（７０）の上流と下流を連通させると共に、上記高圧空気のうち燃料電池（７０）をバイパスするものの割合を変更可能なバイパス通路（４１）と、給気冷却器（１４）で所定の冷却能力が得られるように上記圧縮機（２０）が吸入する空気量を調節すると共に、上記高圧空気のうち燃料電池（７０）をバイパスするものの割合を該燃料電池（７０）に要求される発電量に応じて調節する制御手段（６２）とを備えるものである。
【００２２】
請求項１４の発明は、請求項１に記載の自動車用空調システムにおいて、膨張機（２３）が駆動軸（２４）によって圧縮機（２０）と直結され、膨張機（２３）で回収された動力を圧縮機（２０）の駆動に利用しているものである。
【００２３】
請求項１５の発明は、請求項１に記載の自動車用空調システムにおいて、圧縮機（２１，２２）が複数設けられる一方、第１の圧縮機（２１）は、電動機で得られた動力だけで駆動されて圧縮した空気を第２の圧縮機（２２）へ供給し、上記第２の圧縮機（２２）は、膨張機（２３）で回収された動力だけで駆動されて圧縮した空気を燃料電池（７０）へ供給しているものである。
【００２４】
−作用−
請求項１の発明では、燃料電池（７０）の空気側のガス通路に対し、圧縮機（２０）で圧縮された空気が供給される。この空気極側のガス通路を流れる間に、空気中の酸素が電池反応によって消費される。燃料電池（７０）から排出された空気極オフガスは、凝縮予冷器（１３）へ送られて冷却される。その際、凝縮予冷器（１３）では、空気極オフガスに含まれる水蒸気が凝縮して凝縮水が生成する。その後、空気極オフガスは、膨張機（２３）へ送られて膨張する。
【００２５】
膨張機（２３）における膨張過程では、空気極オフガスの温度が低下すると共に、空気極オフガスに含まれる水蒸気が凝縮して凝縮水が生成する。膨張機（２３）で生成した凝縮水は、膨張後の空気極オフガスと共に給気冷却器（１４）へ送られる。給気冷却器（１４）において、車室内への供給空気は、空気極オフガスと凝縮水の両方に対して放熱する。つまり、給気冷却器（１４）において、空気極オフガスは供給空気から吸熱して温度上昇する一方、凝縮水は供給空気から吸熱して蒸発する。そして、この発明の自動車用空調システム（１０）は、給気冷却器（１４）で冷却された供給空気を車室内へ供給し、車室内の冷房を行う。
【００２６】
請求項２の発明では、給気冷却器（１４）が膨張機（２３）の下方に配置されている。従って、膨張機（２３）で生成した凝縮水が比較的大きな水滴状になったとしても、この凝縮水は、下方に設置された給気冷却器（１４）へ向かって確実に流れ落ちる。
【００２７】
請求項３の発明では、燃料電池（７０）へ供給される空気を加湿するために、凝縮予冷器（１３）で生成した凝縮水が利用される。例えば、固体高分子電解質型の燃料電池（７０）では、供給される空気を予め加湿して電解質膜を湿潤状態に保つ必要がある。そこで、このような場合には、凝縮予冷器（１３）で生成した凝縮水を利用し、燃料電池（７０）へ供給される空気を予め加湿する。
【００２８】
請求項４の発明では、膨張機（２３）で生成した凝縮水だけでなく、凝縮予冷器（１３）で生成した凝縮水も給気冷却器（１４）へ供給できるように自動車用空調システム（１０）が構成される。膨張機（２３）で生成した凝縮水の全てが給気冷却器（１４）で蒸発しても供給空気の温度が充分に低下しない場合には、凝縮予冷器（１３）で生成した凝縮水を給気冷却器（１４）へ供給し、この凝縮水の潜熱をも利用して供給空気の冷却を行うとよい。
【００２９】
請求項５の発明では、凝縮予冷器（１３）で生成した凝縮水が一時的に水タンク（５０）に蓄えられる。また、給気冷却器（１４）で蒸発しなかった凝縮水、即ち供給空気の冷却に必要な量に対して過剰に供給された凝縮水は、水タンク（５０）へ回収される。このように、給気冷却器（１４）で余剰となった凝縮水は、水タンク（５０）へ一旦回収され、その後に供給空気の冷却等に利用される。
【００３０】
請求項６の発明では、凝縮予冷器（１３）が空冷式に構成される。つまり、凝縮予冷器（１３）において、空気極オフガスは、冷却用空気へ放熱して冷却される。
【００３１】
請求項７の発明では、凝縮予冷器（１３）で生成した凝縮水を冷却用空気へ供給できるように、自動車用空調システム（１０）が構成される。つまり、冷却空気の顕熱だけでは、凝縮予冷器（１３）において空気極オフガスを充分に冷却できない場合もある。そこで、このような場合には、凝縮予冷器（１３）の空気極オフガス側で生成した凝縮水を冷却用空気へ供給し、凝縮予冷器（１３）における空気極オフガスの冷却に、冷却用空気の顕熱だけでなく凝縮水の潜熱をも利用する。
【００３２】
請求項８の発明では、膨張機（２３）から送出された空気極オフガスの温度が温度センサ（６５）によって計測される。また、制御手段（６１）は、所定の制御動作を行う。つまり、制御手段（６１）は、温度センサ（６５）で得られた計測値、即ち膨張機（２３）から送出された空気極オフガスの温度を所定値以上に保つために、自動車用空調システム（１０）の運転を制御する。
【００３３】
請求項９の発明において、制御手段（６１）は、燃料電池（７０）から排出された空気極オフガスのうち凝縮予冷器（１３）をバイパスするものの割合を調節する動作を制御動作として行う。例えば、温度センサ（６５）で得られた計測値が所定値よりも低い場合、制御手段（６１）は、膨張機（２３）へ送られる空気極オフガスのうち凝縮予冷器（１３）で冷却されるものの割合を減らす。そうすると、膨張機（２３）の入口における空気極オフガスの温度が上昇し、膨張機（２３）から送出される空気極オフガスの温度も上昇する。また、これとは逆に温度センサ（６５）で得られた計測値が所定値よりも高い場合、制御手段（６１）は、膨張機（２３）へ送られる空気極オフガスのうち凝縮予冷器（１３）で冷却されるものの割合を増やす。そうすると、膨張機（２３）の入口における空気極オフガスの温度が低下し、膨張機（２３）から送出される空気極オフガスの温度も低下する。
【００３４】
請求項１０の発明では、凝縮予冷器（１３）が空冷式に構成される。つまり、凝縮予冷器（１３）において、空気極オフガスは、冷却用空気へ放熱して冷却される。この発明において、制御手段（６１）は、凝縮予冷器（１３）へ供給される冷却用空気の量を調節する動作を制御動作として行う。例えば、温度センサ（６５）で得られた計測値が所定値よりも低い場合、制御手段（６１）は、凝縮予冷器（１３）に対する冷却用空気の供給量を減らす。そうすると、凝縮予冷器（１３）から膨張機（２３）へ送られる空気極オフガスの温度が上昇し、膨張機（２３）から送出される空気極オフガスの温度も上昇する。また、これとは逆に温度センサ（６５）で得られた計測値が所定値よりも高い場合、制御手段（６１）は、凝縮予冷器（１３）に対する冷却用空気の供給量を増やす。そうすると、凝縮予冷器（１３）から膨張機（２３）へ送られる空気極オフガスの温度が低下し、膨張機（２３）から送出される空気極オフガスの温度も低下する。
【００３５】
請求項１１の発明では、凝縮予冷器（１３）が空冷式に構成される。つまり、凝縮予冷器（１３）において、空気極オフガスは、冷却用空気へ放熱して冷却される。また、この発明では、凝縮予冷器（１３）で生成した凝縮水を冷却用空気へ供給できるように、自動車用空調システム（１０）が構成される。つまり、冷却空気の顕熱だけでは、凝縮予冷器（１３）において空気極オフガスを充分に冷却できない場合もある。そこで、このような場合には、凝縮予冷器（１３）の空気極オフガス側で生成した凝縮水を冷却用空気へ供給し、凝縮予冷器（１３）における空気極オフガスの冷却に、冷却用空気の顕熱だけでなく凝縮水の潜熱をも利用する。
【００３６】
この請求項１１の発明において、制御手段（６１）は、冷却用空気へ供給される凝縮水の量を調節する動作を制御動作として行う。例えば、温度センサ（６５）で得られた計測値が所定値よりも低い場合、制御手段（６１）は、冷却用空気に対する凝縮水の供給量を減らす。そうすると、凝縮予冷器（１３）で空気極オフガスの冷却に利用される凝縮水の量が減少し、凝縮予冷器（１３）から膨張機（２３）へ送られる空気極オフガスの温度が上昇して、膨張機（２３）から送出される空気極オフガスの温度も上昇する。また、これとは逆に温度センサ（６５）で得られた計測値が所定値よりも高い場合、制御手段（６１）は、冷却用空気に対する凝縮水の供給量を増やす。そうすると、凝縮予冷器（１３）で空気極オフガスの冷却に利用される凝縮水の量が増加し、凝縮予冷器（１３）から膨張機（２３）へ送られる空気極オフガスの温度が低下して、膨張機（２３）から送出される空気極オフガスの温度も低下する。
【００３７】
請求項１２の発明において、制御手段（６３）は、凝縮予冷器（１３）から送出された空気極オフガスのうち膨張機（２３）をバイパスするものの割合を調節する動作を行う。例えば、給気冷却器（１４）で得られる冷却能力が車室の冷房負荷に対して過多である場合、制御手段（６３）は、給気冷却器（１４）へ送られる空気極オフガスのうち膨張機（２３）で膨張するものの割合を減らす。そうすると、給気冷却器（１４）へ流入する空気極オフガスの温度が上昇し、給気冷却器（１４）で得られる冷却能力が減少する。また、これとは逆に給気冷却器（１４）で得られる冷却能力が車室の冷房負荷に対して過少である場合、制御手段（６３）は、給気冷却器（１４）へ送られる空気極オフガスのうち膨張機（２３）で膨張するものの割合を増やす。そうすると、給気冷却器（１４）へ流入する空気極オフガスの温度が低下し、給気冷却器（１４）で得られる冷却能力が増加する。
【００３８】
請求項１３の発明において、制御手段（６２）は、圧縮機（２０）が吸入する空気量を調節する動作を行う。例えば、給気冷却器（１４）で得られる冷却能力が車室の冷房負荷に対して過多である場合、制御手段（６２）は、圧縮機（２０）の空気吸入量を減らす。そうすると、給気冷却器（１４）に対する空気極オフガスの供給量が減り、給気冷却器（１４）で得られる冷却能力が減少する。また、これとは逆に給気冷却器（１４）で得られる冷却能力が車室の冷房負荷に対して過少である場合、制御手段（６２）は、圧縮機（２０）の空気吸入量を増やす。そうすると、給気冷却器（１４）に対する空気極オフガスの供給量が増え、給気冷却器（１４）で得られる冷却能力が増加する。
【００３９】
更に、この請求項１３の発明において、制御手段（６２）は、高圧空気のうち燃料電池（７０）をバイパスするものの割合を調節する動作を行う。つまり、車室の冷房負荷に応じて圧縮機（２０）の空気吸入量を調節すると、燃料電池（７０）が要求された電力を発生させるのに必要な高圧空気の量に対し、燃料電池（７０）に対する高圧空気の供給量が過剰となる場合がある。そこで、このような場合、制御手段（６２）は、バイパス通路（４１）へ流入する高圧空気の量を増大させ、給気冷却器（１４）で得られる冷却能力を変化させることなく、燃料電池（７０）に対する高圧空気の供給量を削減する。
【００４０】
請求項１４の発明では、膨張機（２３）と圧縮機（２０）とが駆動軸（２４）によって直結される。そして、膨張機（２３）において回収された動力は、圧縮機（２０）において空気を圧縮するための動力として利用される。
【００４１】
請求項１５の発明では、自動車用空調システム（１０）に複数の圧縮機（２１，２２）が設けられる。このうち、第１の圧縮機（２１）は、電動機だけで駆動されて空気を圧縮する。一方、第２の圧縮機（２２）は、膨張機（２３）で回収された動力だけで駆動される。この第２の圧縮機（２２）は、第１の圧縮機（２１）で圧縮された空気を吸入して更に圧縮する。そして、燃料電池（７０）へは、第２の圧縮機（２２）から吐出された空気が供給される。
【００４２】
【発明の実施の形態１】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００４３】
図１に示すように、本実施形態の空調システム（１０）は、燃料電池（７０）を動力源とする自動車に搭載されている。この空調システム（１０）は、燃料電池（７０）の運転に必要となる空気を利用し、いわゆるフロン冷媒等を用いずに車室（８０）内の空気調和を行う。
【００４４】
上記燃料電池（７０）は、固体高分子電解質型のものであって、多数の単電池が積層された燃料電池スタックを構成している。この燃料電池（７０）には、燃料極側ガス流路（７１）と空気極側ガス流路（７２）とが、各単電池に対応して多数形成されている。そして、燃料電池（７０）では、燃料極側ガス流路（７１）を流れる水素が単電池の燃料極（アノード）と接触し、空気極側ガス流路（７２）を流れる空気が単電池の空気極（カソード）と接触する。
【００４５】
上記燃料電池（７０）には、冷却水回路（７３）が接続されている。この冷却水回路（７３）は、燃料電池（７０）とラジエータ（７４）と循環ポンプ（７５）とが順に配置された閉回路であって、冷却水が充填されている。そして、冷却水回路（７３）で冷却水を循環させることにより、燃料電池（７０）が所定の作動温度に保たれる。
【００４６】
上記燃料電池（７０）の燃料極側ガス流路（７１）は、燃料側通路（７６）の途中に配置されている。燃料電池（７０）に対しては、この燃料側通路（７６）を通じて水素ガスが供給される。燃料側通路（７６）における燃料電池（７０）の上流側には、燃料加湿器（７７）が設けられている。この燃料加湿器（７７）は、燃料電池（７０）へ導入される水素ガスを予め加湿し、燃料電池（７０）の電解質膜を湿潤状態に保つためのものである。
【００４７】
上記燃料電池（７０）の空気極側ガス流路（７２）は、空気側通路（１１）の途中に配置されている。燃料電池（７０）に対しては、この空気側通路（１１）を通じて酸化剤としての酸素を含む空気が供給される。空気側通路（１１）における燃料電池（７０）の上流側には、圧縮機（２０）と温調加湿熱交換器（１２）とが設けられている。一方、空気側通路（１１）における燃料電池（７０）の下流側には、凝縮熱交換器（１３）と膨張機（２３）と蒸発冷却熱交換器（１４）とが設けられている。また、空気側通路（１１）には、第１バイパス通路（４１）と第２バイパス通路（４３）とが設けられている。
【００４８】
上記圧縮機（２０）は、空気を吸入して圧縮するためのものであって、ターボ式やスクロール式等の各種の流体機械で構成される。この圧縮機（２０）は、その吸入側が車外に連通すると共に、その吐出側が温調加湿熱交換器（１２）に接続されている。
【００４９】
上記温調加湿熱交換器（１２）は、圧縮機（２０）と燃料電池（７０）の間に配置されている。この温調加湿熱交換器（１２）は、燃料電池（７０）へ供給される高圧空気に対し、予め温度調節と加湿とを施すように構成されている。具体的に、温調加湿熱交換器（１２）は、例えば外気と熱交換させることによって、高圧空気の温度を調節する。また、温調加湿熱交換器（１２）は、高圧空気に水を噴霧して加湿する。
【００５０】
上記凝縮熱交換器（１３）は、燃料電池（７０）に接続されている。この凝縮熱交換器（１３）には、燃料電池（７０）の空気極側ガス流路（７２）から排出された空気極オフガスが導入される。また、この凝縮熱交換器（１３）には、冷却用ファン（３０）により取り込まれた外気が冷却用空気として送り込まれる。そして、凝縮熱交換器（１３）は、空気極オフガスと冷却用空気を熱交換させるものであって、凝縮予冷器を構成している。つまり、凝縮熱交換器（１３）では、冷却用空気との熱交換によって空気極オフガスが冷却されると同時に、空気極オフガスに含まれる水分が凝縮して凝縮水が生成する。
【００５１】
上記膨張機（２３）は、ターボ式やスクロール式等の各種の流体機械で構成されるものであって、凝縮熱交換器（１３）の下流に配置されている。この膨張機（２３）には、凝縮熱交換器（１３）から空気極オフガスが導入される。この膨張機（２３）では、空気極オフガスが膨張して空気極オフガスの内部エネルギが回転動力として回収される。この膨張機（２３）における膨張過程では、空気極オフガスの温度が低下すると同時に、空気極オフガスに含まれる水蒸気が凝縮して凝縮水が生成する。
【００５２】
上記蒸発冷却熱交換器（１４）は、膨張機（２３）の下流で、且つ膨張機（２３）の下方に配置されている。この蒸発冷却熱交換器（１４）には、膨張機（２３）で膨張した空気極オフガスが導入される。また、蒸発冷却熱交換器（１４）には、給気側通路（３５）を通じて供給空気が送り込まれる。この給気側通路（３５）については、後述する。そして、蒸発冷却熱交換器（１４）は、空気極オフガスや凝縮水と供給空気とを熱交換させ、空気極オフガスの顕熱と凝縮水の蒸発熱とを利用して供給空気を冷却するものであって、給気冷却器を構成している。
【００５３】
上記給気側通路（３５）は、その入口端が二手に分岐されており、分岐した一方が車室（８０）内に開口し、他方が車室（８０）外に開口している。この給気側通路（３５）において、その入口端側の分岐管が合流する箇所にはダンパ（３６）が設けられている。このダンパ（３６）は、給気側通路（３５）へ取り込まれる車内空気と車外空気の割合を変更するためのものである。また、給気側通路（３５）におけるダンパ（３６）と蒸発冷却熱交換器（１４）の間には、給気用ファン（３７）が設けられている。更に、給気側通路（３５）の出口端は、車室（８０）内に開口している。
【００５４】
上記第１バイパス通路（４１）は、その一端が第１三方弁（４２）を介して燃料電池（７０）の直前に接続され、その他端が燃料電池（７０）の直後に接続されている。この第１バイパス通路（４１）の第１三方弁（４２）を操作すると、燃料電池（７０）と第１バイパス通路（４１）に対する高圧空気の分配比率が変化する。
【００５５】
上記第２バイパス通路（４３）は、その一端が第２三方弁（４４）を介して凝縮熱交換器（１３）の直前に接続され、その他端が凝縮熱交換器（１３）の直後に接続されている。この第２バイパス通路（４３）の第２三方弁（４４）を操作すると、凝縮熱交換器（１３）と第２バイパス通路（４３）に対する空気極オフガスの分配比率が変化する。
【００５６】
上記圧縮機（２０）と膨張機（２３）とは、一本の駆動軸（２４）で連結されている。また、この駆動軸（２４）には、モータ（２５）が設けられている。このモータ（２５）には、図示しないが、インバータを介して電力が供給される。そして、インバータの出力周波数を変更することにより、モータ（２５）の回転速度が可変となっている。
【００５７】
上記空調システム（１０）には、水タンク（５０）と、受水用配管（５１）と、給水用配管（５２）と、回収用配管（５８）とが更に設けられている。
【００５８】
上記受水用配管（５１）は、その入口端が空気側通路（１１）における凝縮熱交換器（１３）と膨張機（２３）の間に接続され、その出口端が水タンク（５０）に接続されている。凝縮熱交換器（１３）で生成した凝縮水は、この受水用配管（５１）を通じて水タンク（５０）へ送られる。そして、水タンク（５０）は、送り込まれた凝縮水を貯留する。
【００５９】
上記給水用配管（５２）は、その入口端が水タンク（５０）に接続されると共に、水タンク（５０）に蓄えられた凝縮水を吸い上げる給水ポンプ（５３）を備えている。また、給水用配管（５２）は、その出口端側で四つに分岐され、燃料加湿器（７７）と、温調加湿熱交換器（１２）と、冷却用空気の通路における凝縮熱交換器（１３）の上流側と、蒸発冷却熱交換器（１４）とに、それぞれ電磁弁（５４，５５，５６，５７）を介して接続されている。そして、第１電磁弁（５４）を操作することで燃料加湿器（７７）に対する凝縮水の供給量が、第２電磁弁（５５）を操作することで温調加湿熱交換器（１２）に対する凝縮水の供給量が、第３電磁弁（５６）を操作することで冷却用空気に対する凝縮水の供給量が、第４電磁弁（５７）を操作することで蒸発冷却熱交換器（１４）に対する凝縮水の供給量が、それぞれ変化する。
【００６０】
また、上記空調システム（１０）には、温度センサ（６５）とコントローラ（６０）とが設けられている。この温度センサ（６５）は、膨張機（２３）から送出された空気極オフガスの温度を計測するためのものであって、空気側通路（１１）における膨張機（２３）の直後に設けられている。一方、コントローラ（６０）は、第１制御部（６１）と第２制御部（６２）とを備えている。
【００６１】
上記コントローラ（６０）の第１制御部（６１）には、温度センサ（６５）で得られた計測値、即ち膨張機（２３）の出口における空気極オフガスの温度が入力されている。この第１制御部（６１）は、入力された温度センサ（６５）の計測値が所定値（例えば０℃）以上となるように空調システム（１０）の運転を制御する制御手段を構成している。
【００６２】
上記第１制御部（６１）は、３つの制御動作を適宜行うことで、温度センサ（６５）の計測値を所定値以上に保つように構成されている。具体的に、第１制御部（６１）は、燃料電池（７０）から排出された空気極オフガスのうち凝縮熱交換器（１３）をバイパスするものの割合を第２三方弁（４４）の操作によって調節する動作を、第１の制御動作として行う。また、第１制御部（６１）は、冷却用ファン（３０）の回転速度を調節することによって凝縮熱交換器（１３）に対する冷却用空気の供給量を調節する動作を、第２の制御動作として行う。また、第１制御部（６１）は、第３電磁弁（５６）の開度を調節することによって冷却空気に供給される凝縮水量を調節する動作を、第３の制御動作として行う。
【００６３】
上記コントローラ（６０）の第２制御部（６２）は、上記モータ（２５）の回転速度を調節する動作と、高圧空気のうち燃料電池（７０）をバイパスするものの割合を上記第１三方弁（４２）の操作によって調節する動作とを行う制御手段を構成している。これらの第２制御部（６２）の動作は、燃料電池（７０）に要求される出力電力と、車室（８０）内の空調負荷とを考慮して行われる。
【００６４】
−運転動作−
上記空調システム（１０）の運転動作について説明する。尚、以下に示す圧力、温度、相対湿度等の値は、何れも例示である。
【００６５】
空気側通路（１１）へ取り込まれた大気圧（０．１ＭＰａ）の外気は、圧縮機（２０）へ吸入されて圧力０．２８ＭＰａにまで圧縮される。圧縮機（２０）から吐出された高圧空気は、温調加湿熱交換器（１２）へ送られる。
【００６６】
温調加湿熱交換器（１２）において、高圧空気は、外気等との熱交換を行い、その温度が燃料電池（７０）の動作に適した値（例えば８０℃程度）となる。また、温調加湿熱交換器（１２）には、給水用配管（５２）を通じて水タンク（５０）から凝縮水が供給される。温調加湿熱交換器（１２）は、供給された凝縮水を噴霧することによって高圧空気を加湿する。この温調加湿熱交換器（１２）における高圧空気の加湿は、予め高圧空気の湿度を高めて燃料電池（７０）の電解質膜を湿潤状態に保つために行われる。
【００６７】
第１三方弁（４２）が第１バイパス通路（４１）側を閉塞する状態であると仮定すると、温調加湿熱交換器（１２）で温調されて加湿された高圧空気は、その全てが燃料電池（７０）の空気極側ガス流路（７２）へ導入される。この空気極側ガス流路（７２）では、電池反応によって高圧空気中の酸素が消費される。そして、空気極側ガス流路（７２）からは、電池反応により生成した水蒸気を付与された高温高湿度の空気極オフガス、具体的には温度８０℃，相対湿度９０％以上の空気極オフガスが排出される。
【００６８】
第２三方弁（４４）が第２バイパス通路（４３）側を閉塞する状態であると仮定すると、燃料電池（７０）から排出された空気極オフガスは、その全てが凝縮熱交換器（１３）へ導入される。凝縮熱交換器（１３）では、冷却空気と熱交換することによって空気極オフガスが冷却され、それに伴って空気極オフガス中の水分が凝縮して凝縮水となる。その際、凝縮熱交換器（１３）へ導入される冷却用空気には、給水用配管（５２）を通って水タンク（５０）から供給された凝縮水が予め噴霧されている。このため、凝縮熱交換器（１３）では、冷却用空気に噴霧された凝縮水が空気極オフガスから吸熱して蒸発する。つまり、凝縮熱交換器（１３）では、冷却用空気の顕熱だけでなく、冷却用空気に噴霧された凝縮水の潜熱をも利用して、空気極オフガスの冷却が行われる。そして、この凝縮熱交換器（１３）からは、温度４０℃，相対湿度１００％の空気極オフガスが送り出される。
【００６９】
凝縮熱交換器（１３）から送出された空気極オフガスは、膨張機（２３）へ流入する。膨張機（２３）では、圧力０．２８ＭＰａの空気極オフガスが圧力０．１ＭＰａまで膨張し、空気極オフガスの内部エネルギが駆動軸（２４）の回転動力に変換される。膨張機（２３）で回収された動力は、モータ（２５）で得られた動力と共に、圧縮機（２０）の駆動に用いられる。
【００７０】
この膨張機（２３）の膨張過程では、空気極オフガスの温度が低下すると同時に、空気極オフガス中の水蒸気が凝縮して凝縮水が生成する。そして、膨張機（２３）からは、温度２℃，相対湿度１００％の空気極オフガスと共に、霧状あるいは細かい液滴状の凝縮水が送り出される。
【００７１】
膨張機（２３）から送出された空気極オフガスと凝縮水は、蒸発冷却熱交換器（１４）へ導入される。また、蒸発冷却熱交換器（１４）へは、必要に応じて水タンク（５０）の凝縮水が供給される。更に、蒸発冷却熱交換器（１４）へは、車室（８０）内へ供給される供給空気が、給気側通路（３５）を通じて導入される。
【００７２】
この蒸発冷却熱交換器（１４）では、空気極オフガスが供給空気から吸熱して温度上昇すると共に、凝縮水が空気極オフガスから吸熱して蒸発する。つまり、蒸発冷却熱交換器（１４）では、空気極オフガスの顕熱と凝縮水の蒸発熱とを利用して供給空気が冷却される。そして、蒸発冷却熱交換器（１４）で冷却された供給空気は、車室（８０）内へ供給される。一方、供給空気から吸熱した空気極オフガスや凝縮水が蒸発して生成した水蒸気は、車外へ排出される。また、蒸発冷却熱交換器（１４）で蒸発しなかった凝縮水は、回収用配管（５８）を通じて水タンク（５０）へ送り返される。
【００７３】
−コントローラの制御動作−
先ず、コントローラ（６０）の第１制御部（６１）の動作について説明する。上述のように、この第１制御部（６１）には、温度センサ（６５）で得られた計測値が入力されている。そして、第１制御部（６１）は、膨張機（２３）の出口における空気極ガス温度を０℃以上に保ち、膨張機（２３）で生成した凝縮水が凍結するのを防止するため、第１〜第３の制御動作を適宜選択して、あるいは第１〜第３の制御動作を適宜組み合わせて行う。
【００７４】
上記第１制御部（６１）は、第１の制御動作を行って第２三方弁（４４）を操作し、凝縮熱交換器（１３）へ流入する空気極オフガス量と凝縮熱交換器（１３）をバイパスする空気極オフガス量とを調節する。例えば、温度センサ（６５）で得られた計測値が低すぎる場合、第１制御部（６１）は、膨張機（２３）へ送られる空気極オフガスのうち凝縮熱交換器（１３）で冷却されるものの割合を減らす。そうすると、膨張機（２３）の入口における空気極オフガスの温度が上昇し、膨張機（２３）から送出される空気極オフガスの温度も上昇する。また、これとは逆に温度センサ（６５）で得られた計測値が高すぎる場合、第１制御部（６１）は、膨張機（２３）へ送られる空気極オフガスのうち凝縮熱交換器（１３）で冷却されるものの割合を増やす。そうすると、膨張機（２３）の入口における空気極オフガスの温度が低下し、膨張機（２３）から送出される空気極オフガスの温度も低下する。
【００７５】
また、上記第１制御部（６１）は、第２の制御動作として、冷却用ファン（３０）の回転速度を調節することによって凝縮熱交換器（１３）に対する冷却用空気の供給量を調節する動作を行う。例えば、温度センサ（６５）で得られた計測値が低すぎる場合、第１制御部（６１）は、凝縮熱交換器（１３）に対する冷却用空気の供給量を減らす。そうすると、凝縮熱交換器（１３）から膨張機（２３）へ送られる空気極オフガスの温度が上昇し、膨張機（２３）から送出される空気極オフガスの温度も上昇する。また、これとは逆に温度センサ（６５）で得られた計測値が高すぎる場合、第１制御部（６１）は、凝縮熱交換器（１３）に対する冷却用空気の供給量を増やす。そうすると、凝縮熱交換器（１３）から膨張機（２３）へ送られる空気極オフガスの温度が低下し、膨張機（２３）から送出される空気極オフガスの温度も低下する。
【００７６】
また、上記第１制御部（６１）は、第３の制御動作として、冷却用空気へ供給される凝縮水の量を調節する動作を行う。例えば、温度センサ（６５）で得られた計測値が低すぎる場合、第１制御部（６１）は、冷却用空気に対する凝縮水の供給量を減らす。そうすると、凝縮熱交換器（１３）で空気極オフガスの冷却に利用される凝縮水の量が減少し、凝縮熱交換器（１３）から膨張機（２３）へ送られる空気極オフガスの温度が上昇して、膨張機（２３）から送出される空気極オフガスの温度も上昇する。また、これとは逆に温度センサ（６５）で得られた計測値が高すぎる場合、第１制御部（６１）は、冷却用空気に対する凝縮水の供給量を増やす。そうすると、凝縮熱交換器（１３）で空気極オフガスの冷却に利用される凝縮水の量が増加し、凝縮熱交換器（１３）から膨張機（２３）へ送られる空気極オフガスの温度が低下して、膨張機（２３）から送出される空気極オフガスの温度も低下する。
【００７７】
このように、第１制御部（６１）が所定の制御動作を行うと、膨張機（２３）の出口における空気極オフガスの温度が変化し、膨張機（２３）で生成した凝縮水の凍結が回避される。ここで、膨張機（２３）の出口における空気極オフガスの温度が変化すると、蒸発冷却熱交換器（１４）へ導入される空気極オフガスの温度も変化し、蒸発冷却熱交換器（１４）で得られる冷却能力が変化する。従って、この第１制御部（６１）の制御動作により、冷房能力を調節することも可能である。
【００７８】
次に、コントローラ（６０）の第２制御部（６２）の動作について説明する。
【００７９】
この第２制御部（６２）は、圧縮機（２０）が吸入する空気量を調節するために、インバータの出力周波数を操作してモータ（２５）の回転速度を調節する動作を行う。例えば、蒸発冷却熱交換器（１４）で得られる冷却能力が車室（８０）の冷房負荷に対して過多である場合、第２制御部（６２）は、圧縮機（２０）の空気吸入量を減らす。そうすると、蒸発冷却熱交換器（１４）に対する空気極オフガスの供給量が減り、蒸発冷却熱交換器（１４）で得られる冷却能力、即ち冷房能力が減少する。ただし、この場合、圧縮機（２０）の空気吸入量は、燃料電池（７０）が要求された電力を発生させるのに必要な空気量以上に保っておかなければならない。また、これとは逆に蒸発冷却熱交換器（１４）で得られる冷却能力が車室（８０）の冷房負荷に対して過少である場合、第２制御部（６２）は、圧縮機（２０）の空気吸入量を増やす。そうすると、蒸発冷却熱交換器（１４）に対する空気極オフガスの供給量が増え、蒸発冷却熱交換器（１４）で得られる冷却能力、即ち冷房能力が増加する。
【００８０】
また、この第２制御部（６２）は、第１三方弁（４２）を操作し、燃料電池（７０）へ流入する高圧空気の量と第１バイパス通路（４１）へ流入する高圧空気の量とを調節する。つまり、車室（８０）の冷房負荷に応じて圧縮機（２０）の空気吸入量を調節すると、燃料電池（７０）が要求された電力を発生させるのに必要な高圧空気の量に対し、燃料電池（７０）に対する高圧空気の供給量が過剰となる場合がある。そこで、このような場合、第２制御部（６２）は、第１バイパス通路（４１）へ流入する高圧空気の量を増大させ、蒸発冷却熱交換器（１４）で得られる冷却能力を変化させることなく、燃料電池（７０）に対する高圧空気の供給量を削減する。
【００８１】
−実施形態１の効果−
本実施形態１によれば、蒸発冷却熱交換器（１４）における供給空気の冷却に、膨張機（２３）で膨張した空気極オフガスの顕熱だけでなく、膨張機（２３）で生成した凝縮水の潜熱をも利用することができる。このため、供給空気の冷却に空気極オフガスの顕熱だけを利用する場合に比べ、蒸発冷却熱交換器（１４）における供給空気の放熱量を増大させることができる。従って、本実施形態によれば、従来に比べて空調システム（１０）の冷房能力を増大させることができる。
【００８２】
この点について、図２の空気線図を参照しながら説明する。ここでは、蒸発冷却熱交換器（１４）へ導入される空気極オフガスの状態を、点Ａの状態（温度２℃，相対湿度１００％）とし、この空気極オフガスが２６℃の供給空気と熱交換して２１℃まで温度上昇すると仮定して説明する。
【００８３】
供給空気の冷却に空気極オフガスの顕熱だけを利用した場合、蒸発冷却熱交換器（１４）の出口における空気極オフガスの状態は、点Ｂ’の状態（温度２１℃，相対湿度３０％）となる。そして、この場合に得られる冷房能力は、点Ｂ’と点Ａの比エンタルピ差Ｑ_１に空気極オフガスの質量流量を乗じた値となる。
【００８４】
これに対し、供給空気の冷却に空気極オフガスの顕熱と凝縮水の蒸発熱とを利用した場合、蒸発冷却熱交換器（１４）の出口における空気極オフガスの状態は、点Ｂの状態（温度２１℃，相対湿度９５％）となる。そして、この場合に得られる冷房能力は、点Ｂと点Ａの比エンタルピ差Ｑ_２に空気極オフガスの質量流量を乗じた値となる。このように、本実施形態によれば、蒸発冷却熱交換器（１４）の出入口におけるエンタルピ差を増大させることができ、空調システム（１０）の冷房能力を増大させることが可能となる。
【００８５】
また、本実施形態では、蒸発冷却熱交換器（１４）を膨張機（２３）の下方に配置しているため、膨張機（２３）で生成した凝縮水を確実に給気冷却器へ送り込むことが可能となる。従って、本実施形態によれば、膨張機（２３）で生成した凝縮水の蒸発熱を確実に蒸発冷却熱交換器（１４）での供給空気の冷却に利用することができ、空調システム（１０）の冷房能力を十分に発揮させることができる。
【００８６】
また、本実施形態によれば、コントローラ（６０）の第１制御部（６１）が行う制御動作によって、膨張機（２３）の出口における空気極オフガスの温度を確実に所定値以上に保つことが可能となる。ここで、空調システム（１０）の運転状態によっては、膨張機（２３）の出口における空気極オフガスの温度がかなりの低温（例えば−１０℃程度）となる場合もある。そして、このような場合、膨張機（２３）における膨張過程で生成した凝縮水が凍結し、これにより空気極オフガスの流通が妨げられて空調システム（１０）の運転に支障を来すおそれがある。これに対し、本実施形態によれば、膨張機（２３）の出口における空気極オフガスの温度を、凝縮水の凍結による問題が生じない程度に保持することが可能となる。従って、本実施形態によれば、空調システム（１０）の運転を確実に継続させることが可能となる。
【００８７】
また、本実施形態によれば、コントローラ（６０）の第２制御部（６２）が行う制御動作によって、蒸発冷却熱交換器（１４）で得られる冷却能力を変化させることなく、燃料電池（７０）に対する高圧空気の供給量を調節することができる。従って、本実施形態によれば、例えば燃料電池（７０）の運転が部分負荷状態であって燃料電池（７０）へ供給すべき高圧空気の量が少ない状態においても、空調システム（１０）が発揮する冷房能力を充分に確保できる。
【００８８】
−実施形態１の変形例−
上述のように、本実施形態では、膨張機（２３）の出口における空気極ガス温度を０℃以上に保って凝縮水が凍結しないようにしているが、どんな場合も凝縮水の凍結を必ず回避しなければならないという訳ではない。つまり、凝縮水が凍結したとしても、凍結により生じた氷が雪状の細かい粒子であれば、この粒子状の氷は空気極オフガスと共に流動し得る。このため、膨張機（２３）の構造や運転条件等によっては、凝縮水が多少凍結しても空調システム（１０）の運転を継続できる場合もある。従って、このような場合には、膨張機（２３）の出口における空気極ガス温度の下限値を０℃よりも低くし、空調システム（１０）の運転を継続可能な範囲で凝縮水の凍結を許容してもよい。
【００８９】
また、本実施形態では、蒸発冷却熱交換器（１４）で冷却された供給空気を車室（８０）内へ供給して冷房を行っているが、凝縮熱交換器（１３）で空気極オフガスと熱交換した冷却用空気を利用して暖房を行うことも可能である。つまり、蒸発冷却熱交換器（１４）で冷却された供給空気に代えて、凝縮熱交換器（１３）で加熱された冷却用空気を車室（８０）内へ導き、車室（８０）内を暖房してもよい。
【００９０】
【発明の実施の形態２】
本発明の実施形態２は、上記実施形態１において、空気側通路（１１）に第３バイパス通路（４５）を追加すると共に、コントローラ（６０）に第３制御部（６３）を追加したものである。ここでは、本実施形態について、上記実施形態１と異なる点を説明する。
【００９１】
図３に示すように、上記第３バイパス通路（４５）は、その一端が膨張機（２３）の直前に接続され、その他端が膨張機（２３）の直後に接続されている。この第３バイパス通路（４５）には、開度可変の調節弁（４６）が設けられている。この調節弁（４６）は、凝縮熱交換器（１３）から送出された空気極オフガスのうち第３バイパス通路（４５）へ流入するものの割合を調節すると共に、空気極オフガスを絞り膨張（等エンタルピ膨張）させるためのものである。
【００９２】
一方、コントローラ（６０）の第３制御部（６３）は、凝縮熱交換器（１３）から送出された空気極オフガスのうち第３バイパス通路（４５）へ流入するものの割合を、調節弁（４６）の開度制御によって調節する制御手段を構成している。この第３制御部（６３）は、蒸発冷却熱交換器（１４）で得られる冷却能力、即ち空調システム（１０）の冷房能力を調節するために、調節弁（４６）の開度操作を行う。
【００９３】
例えば、蒸発冷却熱交換器（１４）で得られる冷却能力が車室（８０）の冷房負荷に対して過多である場合、第３制御部（６３）は、蒸発冷却熱交換器（１４）へ送られる空気極オフガスのうち膨張機（２３）で膨張するものの割合を減らす。そうすると、第３バイパス通路（４５）を通過する際に空気極オフガスの温度は殆ど変化しないため、蒸発冷却熱交換器（１４）へ流入する空気極オフガスの温度が上昇し、蒸発冷却熱交換器（１４）得られる冷却能力が減少する。また、これとは逆に蒸発冷却熱交換器（１４）で得られる冷却能力が車室（８０）の冷房負荷に対して過少である場合、第３制御部（６３）は、蒸発冷却熱交換器（１４）へ送られる空気極オフガスのうち膨張機（２３）で膨張するものの割合を増やす。そうすると、蒸発冷却熱交換器（１４）へ流入する空気極オフガスの温度が低下し、蒸発冷却熱交換器（１４）で得られる冷却能力が増加する。
【００９４】
【発明の実施の形態３】
本発明の実施形態３は、上記実施形態１において、空気側通路（１１）に２台の圧縮機（２１，２２）を設けたものである。ここでは、本実施形態について、上記実施形態１と異なる点を説明する。
【００９５】
図４に示すように、本実施形態の空気側通路（１１）では、第１圧縮機（２１）と第２圧縮機（２２）とが直列に配置されている。第１圧縮機（２１）は、モータ（２５）と連結されている。このモータ（２５）には、上記実施形態１の場合と同様、図外のインバータを介して電力が供給される。そして、この第１圧縮機（２１）は、モータ（２５）のみによって駆動され、車外から外気を吸入して圧縮する。一方、第２圧縮機（２２）は、駆動軸（２４）を介して膨張機（２３）と連結されている。この第２圧縮機（２２）は、膨張機（２３）で回収された動力のみによって駆動され、第１圧縮機（２１）から吐出された空気を吸入して更に圧縮する。燃料電池（７０）に対しては、第２圧縮機（２２）から吐出された高圧空気が供給される。
【００９６】
【発明の効果】
本発明によれば、給気冷却器（１４）における供給空気の冷却に、膨張機（２３）で膨張した空気極オフガスの顕熱だけでなく、膨張機（２３）で生成した凝縮水の潜熱をも利用することができる。このため、供給空気を冷却に空気極オフガスの顕熱だけを利用する場合に比べ、給気冷却器（１４）における供給空気の放熱量を増大させることができる。従って、本発明によれば、従来に比べて自動車用空調システム（１０）の冷房能力を増大させることができる。
【００９７】
請求項２の発明によれば、膨張機（２３）で生成した凝縮水を確実に給気冷却器（１４）へ送り込むことが可能となる。従って、この発明によれば、膨張機（２３）で生成した凝縮水の蒸発熱を確実に給気冷却器（１４）での供給空気の冷却に利用することができ、自動車用空調システム（１０）の冷房能力を十分に発揮させることができる。
【００９８】
請求項３乃至５及び請求項７の各発明によれば、凝縮予冷器（１３）で生成した凝縮水を燃料電池（７０）や空気調和システムの運転に有効利用できる。特に、請求項４の発明によれば、凝縮予冷器（１３）で生成した凝縮水を給気冷却器（１４）における供給空気の冷却に利用することが可能となる。また、請求項５及び７の各発明によれば、凝縮予冷器（１３）で生成した凝縮水を利用して、凝縮予冷器（１３）から膨張機（２３）へ送られる空気極オフガスの温度を低く保つことができ、膨張後の空気極オフガスを低温に保持できる。従って、請求項４，５及び７の各発明によれば、空気調和システムの冷房能力を充分に確保するために、凝縮予冷器（１３）で生成した凝縮水を利用できる。
【００９９】
請求項８乃至１１の各発明によれば、膨張機（２３）の出口における空気極オフガスの温度を、制御手段（６１）の制御動作によって確実に所定値以上に保つことが可能となる。ここで、自動車用空調システム（１０）の運転状態によっては、膨張機（２３）の出口における空気極オフガスの温度がかなりの低温（例えば−１０℃程度）となる場合もある。そして、このような場合、膨張機（２３）における膨張過程で生成した凝縮水が凍結して大きな固まりとなり、これにより空気極オフガスの流通が妨げられて自動車用空調システム（１０）の運転に支障を来すおそれがある。これに対し、上記の各発明によれば、膨張機（２３）の出口における空気極オフガスの温度を、凝縮水の凍結による問題が生じない程度に保持することが可能となる。従って、これらの発明によれば、自動車用空調システム（１０）の運転を確実に継続させることが可能となる。
【０１００】
請求項１２の発明によれば、自動車用空調システム（１０）が発揮する冷房能力を、制御手段（６３）の動作によって的確に調節することができる。従って、本発明によれば、車室の冷房負荷に応じて自動車用空調システム（１０）の冷房能力を調節でき、車室の快適性を一層向上させることができる。
【０１０１】
請求項１３の発明によれば、制御手段（６２）が所定の動作を行うことにより、給気冷却器（１４）で得られる冷却能力を変化させることなく、燃料電池（７０）に対する高圧空気の供給量を調節することができる。従って、この発明によれば、例えば燃料電池（７０）の運転が部分負荷状態であって燃料電池（７０）へ供給すべき高圧空気の量が少ない状態においても、自動車用空調システム（１０）が発揮する冷房能力を充分に確保できる。
【０１０２】
請求項１４及び１５の発明によれば、膨張機（２３）で回収された動力を圧縮機（２０）の駆動に利用することができる。従って、これらの発明によれば、空気を圧縮するために外部から供給すべきエネルギを削減でき、自動車用空調システム（１０）の効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態１における空調システムの概略構成図である。
【図２】実施形態１の効果を説明するための空気線図である。
【図３】実施形態２における空調システムの概略構成図である。
【図４】実施形態３における空調システムの概略構成図である。
【符号の説明】
（１３）凝縮熱交換器（凝縮予冷器）
（１４）蒸発冷却熱交換器（給気冷却器）
（２０）圧縮機
（２１）第１圧縮機（第１の圧縮機）
（２２）第２圧縮機（第２の圧縮機）
（２３）膨張機
（４１）第１バイパス通路（バイパス通路）
（４３）第２バイパス通路（バイパス通路）
（４５）第３バイパス通路（バイパス通路）
（５０）水タンク
（６１）第１制御部（制御手段）
（６２）第２制御部（制御手段）
（６３）第３制御部（制御手段）
（６５）温度センサ
（７０）燃料電池[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an air conditioning system for a fuel cell vehicle.
[0002]
[Prior art]
In recent years, fuel cells have attracted attention as power sources for automobiles. In fuel cells for automobiles, air as an oxidizing agent is often pressurized to about 2 to 3 atmospheres in order to reduce the size thereof. Therefore, the air electrode off-gas of about 2 to 3 atm is discharged from the air electrode of the fuel cell. Then, the air electrode off-gas is discharged to the outside of the vehicle after the pressure is reduced to the atmospheric pressure.
[0003]
Patent Literature 1 discloses that an expander is used to reduce the air electrode off-gas. In other words, power recovery is performed by expanding the air electrode off-gas with an expander, and the power recovered for compressing the air supplied to the fuel cell is used to reduce the power required for air compression.
[0004]
During the expansion process in the expander, the temperature of the air electrode off-gas decreases. Therefore, Patent Literature 2 discloses performing air conditioning in a vehicle cabin by using an air electrode off-gas after expansion. That is, the low-temperature air electrode off-gas sent from the expander is heat-exchanged with the supply air to the vehicle interior, and the supply air is cooled and sent to the vehicle interior to cool the vehicle interior.
[0005]
[Patent Document 1]
JP 2000-149972
[Patent Document 2]
JP 2001-30742A
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, there is a problem that a sufficient cooling capacity cannot be obtained simply by exchanging the air electrode off-gas from the expander with the supply air, as disclosed in Patent Document 2. This problem will be described.
[0007]
For example, when the air electrode offgas having a relative humidity of 90% and a pressure of 2 atm at 50 ° C. is adiabatically expanded (isentropic expansion) to 1 atm, the temperature of the air electrode offgas after expansion is reduced only to about 10 ° C. This is because heat of condensation is released when water vapor in the air electrode off-gas condenses during the expansion process. For this reason, the temperature difference between the supply air to be cooled and the air electrode off-gas after expansion cannot be made very large, and the supply air cannot be cooled to a very low temperature, so that there is a problem that sufficient cooling capacity cannot be obtained.
[0008]
The present invention has been made in view of such a point, and an object of the present invention is to provide an air conditioning system used for a fuel cell vehicle with sufficient cooling capacity by utilizing an air electrode exhaust gas expanded by an expander. To get.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The invention of claim 1 is directed to an air conditioning system mounted on an automobile using a fuel cell (70) as a power source. A compressor (20) for compressing the air supplied to the fuel cell (70); and a condenser for cooling the air electrode off-gas discharged from the fuel cell (70) and condensing moisture in the air electrode off-gas. A pre-cooler (13), an expander (23) for expanding the air electrode off-gas sent from the condensing pre-cooler (13) to recover power, an air electrode off-gas after expansion and condensed water generated in the expansion process Is supplied from the expander (23), and an air supply cooler (14) that cools air supplied to the vehicle interior by using the sensible heat of the supplied air electrode off-gas and the heat of evaporation of condensed water. It is provided.
[0010]
According to a second aspect of the present invention, in the vehicle air-conditioning system according to the first aspect, the supply air cooler (14) is such that the condensed water generated by the expander (23) flows by gravity. It is arranged below.
[0011]
According to a third aspect of the present invention, in the vehicle air conditioning system according to the first aspect, air supplied from the compressor (20) to the fuel cell (70) by using the condensed water generated by the condensing precooler (13). Humidification is possible.
[0012]
According to a fourth aspect of the present invention, in the automotive air conditioning system according to the first aspect, the condensed water generated by the condensing precooler (13) is supplied to the air supply cooler (14) to reduce the evaporation heat of the condensed water. It can be used for cooling supply air.
[0013]
According to a fifth aspect of the present invention, in the vehicle air conditioning system according to the fourth aspect, a water tank (50) for storing condensed water generated by the condensing pre-cooler (13) is provided, and the supply air cooler (14) evaporates. The condensed water that has not been collected can be collected in the water tank (50).
[0014]
According to a sixth aspect of the present invention, in the vehicle air conditioning system according to the first aspect, the condensing precooler (13) cools the air electrode off-gas by exchanging heat with cooling air.
[0015]
According to a seventh aspect of the present invention, in the automotive air conditioning system according to the sixth aspect, the condensed water generated by the condensing precooler (13) is supplied to the cooling air, and the heat of evaporation of the condensed water is cooled to the air electrode off-gas. It is available for
[0016]
The invention according to claim 8 is the vehicle air conditioning system according to claim 1, wherein the temperature sensor (65) for measuring the temperature of the air electrode off-gas sent from the expander (23), and the temperature sensor (65). ) Is provided with a control means (61) for performing a control operation for controlling the operation of the automotive air-conditioning system so that the value measured in the step (b) becomes equal to or more than a predetermined value.
[0017]
According to a ninth aspect of the present invention, in the automotive air conditioning system according to the eighth aspect, the upstream and downstream of the condensing precooler (13) are communicated so that the air electrode off-gas bypasses the condensing precooler (13). The control means (61) includes a bypass passage (43) that can change the proportion of the air electrode off-gas discharged from the fuel cell (70) that bypasses the condensation precooler (13). The operation of adjusting the proportion of the air electrode off-gas discharged from 70) that bypasses the condensation precooler (13) is performed as a control operation.
[0018]
According to a tenth aspect of the present invention, in the vehicle air conditioning system according to the eighth aspect, the condensing precooler (13) cools the air electrode off-gas by exchanging heat with cooling air, while the control means (61) includes: The operation of adjusting the supply amount of the cooling air to the condensation precooler (13) is performed as a control operation.
[0019]
According to an eleventh aspect of the present invention, in the automotive air conditioning system according to the eighth aspect, the condensing pre-cooler (13) cools the air electrode off-gas by exchanging heat with cooling air while cooling the condensing pre-cooler (13). The condensed water generated in the above is supplied to the cooling air, and the heat of evaporation of the condensed water can be used for cooling the air electrode off-gas. The control means (61) controls the supply amount of the condensed water to the cooling air. Is performed as a control operation.
[0020]
According to a twelfth aspect of the present invention, in the vehicle air conditioning system according to the first aspect, the air electrode off-gas communicates upstream and downstream of the expander (23) so as to bypass the expander (23), and condenses and pre-cools. A bypass passage (45) that can change the ratio of the air electrode off-gas that is sent from the device (13) and bypasses the expander (23), and the cooling capacity obtained by the supply air cooler (14) are adjusted. For this purpose, a control means (63) for adjusting the proportion of the air electrode off-gas sent from the condensation precooler (13) that bypasses the expander (23) is provided.
[0021]
According to a thirteenth aspect, in the automotive air conditioning system according to the first aspect, the high-pressure air discharged from the compressor (20) is provided upstream of the fuel cell (70) such that the high-pressure air bypasses the fuel cell (70). The bypass passage (41), which allows the downstream to communicate and can change the ratio of the high-pressure air that bypasses the fuel cell (70), and the above-described supply air cooler (14) so that a predetermined cooling capacity can be obtained. Control means for adjusting the amount of air taken in by the compressor (20) and adjusting the proportion of the high-pressure air that bypasses the fuel cell (70) in accordance with the amount of power required by the fuel cell (70) (62).
[0022]
According to a fourteenth aspect of the present invention, in the vehicle air conditioning system according to the first aspect, the expander (23) is directly connected to the compressor (20) by the drive shaft (24), and the power recovered by the expander (23). Are used for driving the compressor (20).
[0023]
According to a fifteenth aspect of the present invention, in the automotive air conditioning system according to the first aspect, a plurality of compressors (21, 22) are provided, while the first compressor (21) uses only power obtained by the electric motor. The driven and compressed air is supplied to the second compressor (22), and the second compressor (22) is driven only by the power recovered by the expander (23) to convert the compressed air into fuel. The battery is supplied to the battery (70).
[0024]
-Action-
According to the first aspect of the present invention, the air compressed by the compressor (20) is supplied to the gas passage on the air side of the fuel cell (70). While flowing through the gas passage on the air electrode side, oxygen in the air is consumed by the battery reaction. The air electrode off-gas discharged from the fuel cell (70) is sent to the condensing precooler (13) to be cooled. At this time, in the condensation precooler (13), water vapor contained in the air electrode off-gas is condensed to generate condensed water. Thereafter, the air electrode off-gas is sent to the expander (23) and expands.
[0025]
In the expansion process in the expander (23), the temperature of the air electrode off-gas is reduced, and water vapor contained in the air electrode off-gas is condensed to generate condensed water. The condensed water generated by the expander (23) is sent to the air supply cooler (14) together with the air electrode off-gas after expansion. In the supply air cooler (14), the supply air to the vehicle interior radiates heat to both the air electrode off-gas and the condensed water. That is, in the supply air cooler (14), the air electrode off-gas absorbs heat from the supply air and rises in temperature, while condensed water absorbs heat from the supply air and evaporates. Then, the automotive air conditioning system (10) of the present invention supplies the supply air cooled by the air supply cooler (14) to the vehicle interior to cool the interior of the vehicle interior.
[0026]
According to the second aspect of the present invention, the supply air cooler (14) is disposed below the expander (23). Therefore, even if the condensed water generated by the expander (23) becomes relatively large water droplets, the condensed water surely flows down toward the air supply cooler (14) installed below.
[0027]
According to the third aspect of the present invention, the condensed water generated by the condensing precooler (13) is used to humidify the air supplied to the fuel cell (70). For example, in a solid polymer electrolyte fuel cell (70), it is necessary to keep the electrolyte membrane in a wet state by humidifying the supplied air in advance. Therefore, in such a case, the air supplied to the fuel cell (70) is humidified in advance by using the condensed water generated by the condensing precooler (13).
[0028]
According to the fourth aspect of the present invention, the air conditioning system for automobiles (14) can supply not only the condensed water generated by the expander (23) but also the condensed water generated by the condensing pre-cooler (13) to the air supply cooler (14). 10) is configured. If the temperature of the supply air is not sufficiently reduced even when all of the condensed water generated in the expander (23) evaporates in the charge air cooler (14), the condensed water generated in the condensate precooler (13) is removed. It is preferable that the supply air is supplied to the supply air cooler (14) and the supply air is cooled using the latent heat of the condensed water.
[0029]
According to the fifth aspect of the present invention, the condensed water generated by the condensing precooler (13) is temporarily stored in the water tank (50). Condensed water that has not evaporated in the supply air cooler (14), that is, condensed water that is supplied in excess of the amount required for cooling the supply air, is collected in the water tank (50). As described above, the condensed water surplus in the supply air cooler (14) is once collected in the water tank (50), and then used for cooling the supply air.
[0030]
In the invention of claim 6, the condensing precooler (13) is configured as an air-cooled type. That is, in the condensation pre-cooler (13), the air electrode off-gas releases heat to the cooling air and is cooled.
[0031]
In the invention according to claim 7, the automotive air conditioning system (10) is configured so that the condensed water generated by the condensation precooler (13) can be supplied to the cooling air. In other words, the condensing precooler (13) may not be able to sufficiently cool the air electrode off-gas only by the sensible heat of the cooling air. Therefore, in such a case, the condensed water generated on the air electrode off-gas side of the condensing pre-cooler (13) is supplied to the cooling air, and the condensing pre-cooler (13) uses the cooling air for cooling the air electrode off-gas. Utilizes not only the sensible heat of the water but also the latent heat of condensed water.
[0032]
In the invention according to claim 8, the temperature of the air electrode off-gas sent from the expander (23) is measured by the temperature sensor (65). Further, the control means (61) performs a predetermined control operation. That is, the control means (61) controls the automotive air-conditioning system (in order to maintain the measured value obtained by the temperature sensor (65), that is, the temperature of the air electrode off-gas sent from the expander (23) at a predetermined value or more. The operation of 10) is controlled.
[0033]
According to the ninth aspect of the present invention, the control means (61) performs, as a control operation, an operation of adjusting the ratio of the air electrode off-gas discharged from the fuel cell (70) that bypasses the condensation precooler (13). For example, when the measurement value obtained by the temperature sensor (65) is lower than a predetermined value, the control means (61) cools the air electrode off-gas sent to the expander (23) by the condensation pre-cooler (13). Reduce the percentage of things. Then, the temperature of the air electrode off-gas at the inlet of the expander (23) increases, and the temperature of the air electrode off-gas sent from the expander (23) also increases. Conversely, when the measured value obtained by the temperature sensor (65) is higher than a predetermined value, the control means (61) controls the condensing precooler (of the air electrode off-gas sent to the expander (23)). 13) Increase the percentage of what is cooled. Then, the temperature of the air electrode off-gas at the inlet of the expander (23) decreases, and the temperature of the air electrode off-gas sent from the expander (23) also decreases.
[0034]
According to the tenth aspect of the present invention, the condensing precooler (13) is configured as an air-cooled type. That is, in the condensation pre-cooler (13), the air electrode off-gas releases heat to the cooling air and is cooled. In the present invention, the control means (61) performs an operation of adjusting the amount of cooling air supplied to the condensation precooler (13) as a control operation. For example, when the measured value obtained by the temperature sensor (65) is lower than a predetermined value, the control means (61) reduces the supply amount of the cooling air to the condensation precooler (13). Then, the temperature of the air electrode off-gas sent from the condensation precooler (13) to the expander (23) increases, and the temperature of the air electrode off-gas sent from the expander (23) also increases. Conversely, when the measured value obtained by the temperature sensor (65) is higher than a predetermined value, the control means (61) increases the supply amount of the cooling air to the condensation precooler (13). Then, the temperature of the air electrode off-gas sent from the condensation precooler (13) to the expander (23) decreases, and the temperature of the air electrode off-gas sent from the expander (23) also decreases.
[0035]
According to the eleventh aspect, the condensing precooler (13) is configured to be air-cooled. That is, in the condensation pre-cooler (13), the air electrode off-gas releases heat to the cooling air and is cooled. In the present invention, the automotive air-conditioning system (10) is configured so that the condensed water generated by the condensing precooler (13) can be supplied to the cooling air. In other words, the condensing precooler (13) may not be able to sufficiently cool the air electrode off-gas only by the sensible heat of the cooling air. Therefore, in such a case, the condensed water generated on the air electrode off-gas side of the condensing pre-cooler (13) is supplied to the cooling air, and the condensing pre-cooler (13) uses the cooling air for cooling the air electrode off-gas. Utilizes not only the sensible heat of the water but also the latent heat of condensed water.
[0036]
In the eleventh aspect of the present invention, the control means (61) performs an operation of adjusting the amount of condensed water supplied to the cooling air as a control operation. For example, when the measurement value obtained by the temperature sensor (65) is lower than a predetermined value, the control unit (61) reduces the supply amount of the condensed water to the cooling air. Then, the amount of condensed water used for cooling the air electrode off-gas in the condensation pre-cooler (13) decreases, and the temperature of the air electrode off-gas sent from the condensation pre-cooler (13) to the expander (23) increases. The temperature of the air electrode off-gas sent from the expander (23) also increases. Conversely, when the measured value obtained by the temperature sensor (65) is higher than a predetermined value, the control means (61) increases the supply amount of the condensed water to the cooling air. Then, the amount of condensed water used for cooling the air electrode off-gas in the condensation pre-cooler (13) increases, and the temperature of the air electrode off-gas sent from the condensation pre-cooler (13) to the expander (23) decreases. The temperature of the air electrode off-gas sent from the expander (23) also decreases.
[0037]
In the twelfth aspect of the invention, the control means (63) performs an operation of adjusting the ratio of the air electrode off-gas sent from the condensation precooler (13) that bypasses the expander (23). For example, if the cooling capacity obtained by the air supply cooler (14) is excessive with respect to the cooling load of the passenger compartment, the control means (63) controls the air electrode off gas sent to the air supply cooler (14). Reduce the proportion of what expands with the expander (23). Then, the temperature of the air electrode off-gas flowing into the charge air cooler (14) increases, and the cooling capacity obtained by the charge air cooler (14) decreases. Conversely, if the cooling capacity obtained by the air supply cooler (14) is too small for the cooling load of the passenger compartment, the control means (63) is sent to the air supply cooler (14). The proportion of the air electrode off-gas that expands in the expander (23) is increased. Then, the temperature of the air electrode off-gas flowing into the charge air cooler (14) decreases, and the cooling capacity obtained by the charge air cooler (14) increases.
[0038]
In the thirteenth aspect, the control means (62) performs an operation of adjusting the amount of air sucked by the compressor (20). For example, if the cooling capacity obtained by the supply air cooler (14) is excessive with respect to the cooling load of the passenger compartment, the control means (62) reduces the amount of air sucked into the compressor (20). Then, the supply amount of the air electrode off-gas to the air supply cooler (14) decreases, and the cooling capacity obtained by the air supply cooler (14) decreases. Conversely, if the cooling capacity obtained by the air supply cooler (14) is too small for the cooling load of the vehicle interior, the control means (62) reduces the air intake amount of the compressor (20). increase. Then, the supply amount of the air electrode off-gas to the air supply cooler (14) increases, and the cooling capacity obtained by the air supply cooler (14) increases.
[0039]
Further, in the thirteenth aspect, the control means (62) performs an operation of adjusting the ratio of high-pressure air that bypasses the fuel cell (70). That is, when the air intake amount of the compressor (20) is adjusted in accordance with the cooling load of the passenger compartment, the fuel cell (70) increases the amount of the high-pressure air required to generate the required electric power by the fuel cell (70). In some cases, the supply amount of high-pressure air to 70) becomes excessive. Therefore, in such a case, the control means (62) increases the amount of high-pressure air flowing into the bypass passage (41), and does not change the cooling capacity obtained by the supply air cooler (14). The supply amount of high-pressure air to (70) is reduced.
[0040]
According to the fourteenth aspect, the expander (23) and the compressor (20) are directly connected by the drive shaft (24). The power recovered in the expander (23) is used as power for compressing air in the compressor (20).
[0041]
In the invention according to claim 15, a plurality of compressors (21, 22) are provided in the vehicle air conditioning system (10). Among them, the first compressor (21) is driven only by the electric motor to compress the air. On the other hand, the second compressor (22) is driven only by the power recovered by the expander (23). The second compressor (22) sucks the air compressed by the first compressor (21) and further compresses the air. Then, the air discharged from the second compressor (22) is supplied to the fuel cell (70).
[0042]
Embodiment 1 of the present invention
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0043]
As shown in FIG. 1, the air conditioning system (10) of the present embodiment is mounted on an automobile using a fuel cell (70) as a power source. The air conditioning system (10) uses air required for operation of the fuel cell (70), and performs air conditioning in the vehicle compartment (80) without using a so-called Freon refrigerant or the like.
[0044]
The fuel cell (70) is of a solid polymer electrolyte type and constitutes a fuel cell stack in which a number of unit cells are stacked. In the fuel cell (70), a large number of fuel electrode side gas flow paths (71) and a large number of air electrode side gas flow paths (72) are formed corresponding to each unit cell. In the fuel cell (70), the hydrogen flowing through the fuel electrode side gas flow path (71) comes into contact with the fuel electrode (anode) of the unit cell, and the air flowing through the air electrode side gas flow path (72) becomes Contact with air electrode (cathode).
[0045]
A cooling water circuit (73) is connected to the fuel cell (70). The cooling water circuit (73) is a closed circuit in which a fuel cell (70), a radiator (74), and a circulation pump (75) are sequentially arranged, and is filled with cooling water. Then, by circulating the cooling water in the cooling water circuit (73), the fuel cell (70) is maintained at a predetermined operating temperature.
[0046]
The fuel electrode side gas flow path (71) of the fuel cell (70) is arranged in the middle of the fuel side passage (76). Hydrogen gas is supplied to the fuel cell (70) through the fuel-side passage (76). A fuel humidifier (77) is provided upstream of the fuel cell (70) in the fuel-side passage (76). The fuel humidifier (77) is for humidifying the hydrogen gas introduced into the fuel cell (70) in advance and keeping the electrolyte membrane of the fuel cell (70) wet.
[0047]
The air electrode side gas flow path (72) of the fuel cell (70) is arranged in the middle of the air side passage (11). Air containing oxygen as an oxidant is supplied to the fuel cell (70) through the air side passage (11). On the upstream side of the fuel cell (70) in the air side passage (11), a compressor (20) and a temperature control humidification heat exchanger (12) are provided. On the other hand, a condensing heat exchanger (13), an expander (23), and an evaporative cooling heat exchanger (14) are provided downstream of the fuel cell (70) in the air-side passage (11). The air side passage (11) is provided with a first bypass passage (41) and a second bypass passage (43).
[0048]
The compressor (20) is for suctioning and compressing air, and is composed of various fluid machines such as a turbo type and a scroll type. The compressor (20) has a suction side communicating with the outside of the vehicle, and a discharge side thereof is connected to the temperature control humidification heat exchanger (12).
[0049]
The temperature controlled humidification heat exchanger (12) is arranged between the compressor (20) and the fuel cell (70). The temperature control humidification heat exchanger (12) is configured to perform temperature control and humidification on high-pressure air supplied to the fuel cell (70) in advance. Specifically, the temperature control humidification heat exchanger (12) adjusts the temperature of the high-pressure air, for example, by exchanging heat with the outside air. Further, the temperature control humidification heat exchanger (12) humidifies the high-pressure air by spraying water.
[0050]
The condensation heat exchanger (13) is connected to a fuel cell (70). The air electrode off-gas discharged from the air electrode side gas flow path (72) of the fuel cell (70) is introduced into the condensation heat exchanger (13). Outside air taken in by the cooling fan (30) is sent into the condensation heat exchanger (13) as cooling air. The condensing heat exchanger (13) exchanges heat between the air electrode off-gas and the cooling air, and constitutes a condensing precooler. That is, in the condensing heat exchanger (13), the air electrode off-gas is cooled by heat exchange with the cooling air, and at the same time, the water contained in the air electrode off-gas is condensed to generate condensed water.
[0051]
The expander (23) is composed of various fluid machines such as a turbo type and a scroll type, and is disposed downstream of the condensing heat exchanger (13). An air electrode off-gas is introduced into the expander (23) from the condensation heat exchanger (13). In the expander (23), the air electrode off-gas expands and internal energy of the air electrode off-gas is recovered as rotational power. In the expansion process of the expander (23), at the same time as the temperature of the air electrode off-gas decreases, the water vapor contained in the air electrode off-gas condenses to generate condensed water.
[0052]
The evaporative cooling heat exchanger (14) is arranged downstream of the expander (23) and below the expander (23). The air electrode off-gas expanded by the expander (23) is introduced into the evaporative cooling heat exchanger (14). Further, supply air is fed into the evaporative cooling heat exchanger (14) through the supply side passage (35). This air supply side passage (35) will be described later. The evaporative cooling heat exchanger (14) exchanges heat between the air electrode off-gas or condensed water and the supplied air, and cools the supplied air using the sensible heat of the air electrode off-gas and the condensed water evaporation heat. It constitutes a supply air cooler.
[0053]
The inlet end of the air supply side passage (35) is bifurcated, and one of the branches is opened in the vehicle interior (80) and the other is opened out of the vehicle interior (80). In the supply-side passage (35), a damper (36) is provided at a location where the branch pipe on the inlet end side joins. This damper (36) is for changing the ratio of the inside air and outside air taken into the air supply side passage (35). An air supply fan (37) is provided between the damper (36) and the evaporative cooling heat exchanger (14) in the air supply side passage (35). Furthermore, the outlet end of the air supply side passageway (35) opens into the vehicle interior (80).
[0054]
One end of the first bypass passage (41) is connected via the first three-way valve (42) immediately before the fuel cell (70), and the other end is connected immediately after the fuel cell (70). Operating the first three-way valve (42) of the first bypass passage (41) changes the distribution ratio of high-pressure air to the fuel cell (70) and the first bypass passage (41).
[0055]
The second bypass passage (43) has one end connected immediately before the condensing heat exchanger (13) via the second three-way valve (44), and the other end connected immediately after the condensing heat exchanger (13). Have been. When the second three-way valve (44) of the second bypass passage (43) is operated, the distribution ratio of the air electrode off-gas to the condensing heat exchanger (13) and the second bypass passage (43) changes.
[0056]
The compressor (20) and the expander (23) are connected by one drive shaft (24). The drive shaft (24) is provided with a motor (25). Although not shown, electric power is supplied to the motor (25) via an inverter. The rotation speed of the motor (25) is variable by changing the output frequency of the inverter.
[0057]
The air conditioning system (10) is further provided with a water tank (50), a water receiving pipe (51), a water supply pipe (52), and a collection pipe (58).
[0058]
The water receiving pipe (51) has an inlet end connected between the condensing heat exchanger (13) and the expander (23) in the air-side passage (11), and an outlet end connected to the water tank (50). It is connected. The condensed water generated in the condensing heat exchanger (13) is sent to the water tank (50) through the water receiving pipe (51). The water tank (50) stores the condensed water sent.
[0059]
The water supply pipe (52) has an inlet end connected to the water tank (50) and a water supply pump (53) for sucking up condensed water stored in the water tank (50). Further, the water supply pipe (52) is branched into four at the outlet end side thereof, and includes a fuel humidifier (77), a temperature control humidification heat exchanger (12), and a condensing heat exchanger in a cooling air passage. The upstream side of (13) and the evaporative cooling heat exchanger (14) are connected via electromagnetic valves (54, 55, 56, 57), respectively. The amount of condensed water supplied to the fuel humidifier (77) is controlled by operating the first solenoid valve (54), and the amount of condensed water supplied to the temperature controlled humidifying heat exchanger (12) is controlled by operating the second solenoid valve (55). The supply amount of the condensed water is controlled by operating the third electromagnetic valve (56), and the supply amount of the condensed water to the cooling air is controlled by operating the fourth electromagnetic valve (57). The supply amount of the condensed water to each varies.
[0060]
The air conditioning system (10) includes a temperature sensor (65) and a controller (60). The temperature sensor (65) is for measuring the temperature of the air electrode off-gas sent from the expander (23), and is provided immediately after the expander (23) in the air-side passage (11). I have. On the other hand, the controller (60) includes a first control unit (61) and a second control unit (62).
[0061]
The measurement value obtained by the temperature sensor (65), that is, the temperature of the air electrode off-gas at the outlet of the expander (23) is input to the first controller (61) of the controller (60). The first control unit (61) constitutes control means for controlling the operation of the air conditioning system (10) such that the input measurement value of the temperature sensor (65) is equal to or more than a predetermined value (for example, 0 ° C.). I have.
[0062]
The first control unit (61) is configured to appropriately perform three control operations to maintain the measurement value of the temperature sensor (65) at or above a predetermined value. Specifically, the first control unit (61) determines the proportion of the air electrode off-gas discharged from the fuel cell (70) that bypasses the condensation heat exchanger (13) by operating the second three-way valve (44). The adjustment operation is performed as a first control operation. The first control unit (61) performs an operation of adjusting the rotation speed of the cooling fan (30) to adjust the supply amount of the cooling air to the condensing heat exchanger (13), as a second control operation. Do as. Further, the first control unit (61) performs an operation of adjusting the amount of condensed water supplied to the cooling air by adjusting the opening of the third solenoid valve (56) as a third control operation.
[0063]
The second control unit (62) of the controller (60) adjusts the rotation speed of the motor (25) and the ratio of high-pressure air that bypasses the fuel cell (70) to the first three-way valve (62). The control means performs the operation of adjusting by the operation of 42). The operation of the second control unit (62) is performed in consideration of the output power required for the fuel cell (70) and the air conditioning load in the passenger compartment (80).
[0064]
-Driving operation-
The operation of the air conditioning system (10) will be described. The values of pressure, temperature, relative humidity and the like shown below are all examples.
[0065]
Atmospheric pressure (0.1 MPa) outside air taken into the air side passage (11) is sucked into the compressor (20) and compressed to a pressure of 0.28 MPa. The high-pressure air discharged from the compressor (20) is sent to a temperature control humidification heat exchanger (12).
[0066]
In the temperature control humidification heat exchanger (12), the high-pressure air exchanges heat with the outside air or the like, and its temperature becomes a value (for example, about 80 ° C.) suitable for the operation of the fuel cell (70). Further, condensed water is supplied to the temperature controlled humidification heat exchanger (12) from the water tank (50) through the water supply pipe (52). The temperature control humidification heat exchanger (12) humidifies the high-pressure air by spraying the supplied condensed water. The humidification of the high-pressure air in the temperature control humidification heat exchanger (12) is performed in order to increase the humidity of the high-pressure air in advance to keep the electrolyte membrane of the fuel cell (70) in a wet state.
[0067]
Assuming that the first three-way valve (42) is in a state of closing the first bypass passage (41) side, all of the high-pressure air whose temperature has been adjusted and humidified by the temperature-adjusting humidification heat exchanger (12) is completely removed. The air is introduced into the air electrode side gas flow path (72) of the fuel cell (70). In the air electrode side gas flow path (72), oxygen in the high-pressure air is consumed by the battery reaction. From the air electrode side gas flow path (72), a high temperature and high humidity air electrode off gas provided with water vapor generated by the battery reaction, specifically, an air electrode off gas having a temperature of 80 ° C. and a relative humidity of 90% or more is supplied. Is discharged.
[0068]
Assuming that the second three-way valve (44) closes the second bypass passage (43), all of the air electrode off-gas discharged from the fuel cell (70) is condensed heat exchanger (13). Is introduced to In the condensing heat exchanger (13), the air electrode off-gas is cooled by exchanging heat with the cooling air, and the water in the air electrode off-gas condenses to condensed water. At this time, the condensed water supplied from the water tank (50) through the water supply pipe (52) is sprayed in advance on the cooling air introduced into the condensing heat exchanger (13). For this reason, in the condensation heat exchanger (13), the condensed water sprayed on the cooling air absorbs heat from the air electrode off-gas and evaporates. That is, in the condensing heat exchanger (13), the air electrode off-gas is cooled using not only the sensible heat of the cooling air but also the latent heat of the condensed water sprayed on the cooling air. Then, an air electrode off-gas having a temperature of 40 ° C. and a relative humidity of 100% is sent out from the condensation heat exchanger (13).
[0069]
The air electrode off-gas sent from the condensation heat exchanger (13) flows into the expander (23). In the expander (23), the air electrode off-gas at a pressure of 0.28 MPa expands to a pressure of 0.1 MPa, and the internal energy of the air electrode off-gas is converted into rotational power of the drive shaft (24). The power recovered by the expander (23) is used together with the power obtained by the motor (25) to drive the compressor (20).
[0070]
In the expansion process of the expander (23), at the same time as the temperature of the air electrode off-gas decreases, the water vapor in the air electrode off-gas condenses to generate condensed water. The condensed water in the form of mist or fine droplets is sent out from the expander (23) together with the air electrode off-gas at a temperature of 2 ° C. and a relative humidity of 100%.
[0071]
The air electrode off-gas and the condensed water sent from the expander (23) are introduced into the evaporative cooling heat exchanger (14). Further, the condensed water in the water tank (50) is supplied to the evaporative cooling heat exchanger (14) as necessary. Furthermore, the supply air supplied into the cabin (80) is introduced into the evaporative cooling heat exchanger (14) through the supply side passage (35).
[0072]
In the evaporative cooling heat exchanger (14), the air electrode off-gas absorbs heat from the supplied air and rises in temperature, and the condensed water absorbs heat from the air electrode off-gas and evaporates. That is, in the evaporative cooling heat exchanger (14), the supply air is cooled using the sensible heat of the air electrode off-gas and the evaporative heat of the condensed water. The supply air cooled by the evaporative cooling heat exchanger (14) is supplied into the vehicle interior (80). On the other hand, water vapor generated by evaporating the air electrode off-gas and condensed water that has absorbed heat from the supply air is discharged outside the vehicle. Condensed water that has not evaporated in the evaporative cooling heat exchanger (14) is returned to the water tank (50) through the recovery pipe (58).
[0073]
−Control operation of controller−
First, the operation of the first control unit (61) of the controller (60) will be described. As described above, the measurement value obtained by the temperature sensor (65) is input to the first control unit (61). The first control unit (61) maintains the air electrode gas temperature at the outlet of the expander (23) at 0 ° C. or higher to prevent the condensed water generated in the expander (23) from freezing. The first to third control operations are appropriately selected, or the first to third control operations are appropriately combined.
[0074]
The first control unit (61) performs the first control operation to operate the second three-way valve (44), and to determine the amount of the air electrode off-gas flowing into the condensation heat exchanger (13) and the condensation heat exchanger (13). ) And the amount of air electrode off-gas bypassed. For example, if the measurement value obtained by the temperature sensor (65) is too low, the first control unit (61) cools the condensing heat exchanger (13) out of the air electrode off-gas sent to the expander (23). Reduce the percentage of things. Then, the temperature of the air electrode off-gas at the inlet of the expander (23) increases, and the temperature of the air electrode off-gas sent from the expander (23) also increases. On the other hand, when the measurement value obtained by the temperature sensor (65) is too high, the first control unit (61) determines whether the condensation heat exchanger ( 13) Increase the percentage of what is cooled. Then, the temperature of the air electrode off-gas at the inlet of the expander (23) decreases, and the temperature of the air electrode off-gas sent from the expander (23) also decreases.
[0075]
The first control unit (61) adjusts the supply amount of the cooling air to the condensation heat exchanger (13) by adjusting the rotation speed of the cooling fan (30) as a second control operation. Perform the operation. For example, when the measurement value obtained by the temperature sensor (65) is too low, the first control unit (61) reduces the supply amount of the cooling air to the condensation heat exchanger (13). Then, the temperature of the air electrode off-gas sent from the condensation heat exchanger (13) to the expander (23) increases, and the temperature of the air electrode off-gas sent from the expander (23) also increases. On the contrary, when the measurement value obtained by the temperature sensor (65) is too high, the first control unit (61) increases the supply amount of the cooling air to the condensation heat exchanger (13). Then, the temperature of the air electrode off-gas sent from the condensation heat exchanger (13) to the expander (23) decreases, and the temperature of the air electrode off-gas sent from the expander (23) also decreases.
[0076]
Further, the first control section (61) performs, as a third control operation, an operation of adjusting the amount of condensed water supplied to the cooling air. For example, when the measurement value obtained by the temperature sensor (65) is too low, the first control unit (61) reduces the supply amount of the condensed water to the cooling air. Then, the amount of condensed water used for cooling the air electrode off-gas in the condensing heat exchanger (13) decreases, and the temperature of the air electrode off-gas sent from the condensing heat exchanger (13) to the expander (23) increases. As a result, the temperature of the air electrode off-gas sent from the expander (23) also increases. On the contrary, when the measurement value obtained by the temperature sensor (65) is too high, the first control unit (61) increases the supply amount of the condensed water to the cooling air. Then, the amount of condensed water used for cooling the air electrode off-gas in the condensing heat exchanger (13) increases, and the temperature of the air electrode off-gas sent from the condensing heat exchanger (13) to the expander (23) decreases. As a result, the temperature of the air electrode off-gas sent from the expander (23) also decreases.
[0077]
As described above, when the first control unit (61) performs a predetermined control operation, the temperature of the air electrode off-gas at the outlet of the expander (23) changes, and the condensed water generated by the expander (23) freezes. Be avoided. Here, when the temperature of the air electrode off-gas at the outlet of the expander (23) changes, the temperature of the air electrode off-gas introduced into the evaporative cooling heat exchanger (14) also changes, and the evaporative cooling heat exchanger (14) changes the temperature. The resulting cooling capacity changes. Accordingly, the cooling operation can be adjusted by the control operation of the first control section (61).
[0078]
Next, the operation of the second control unit (62) of the controller (60) will be described.
[0079]
The second control unit (62) performs an operation of adjusting the rotation speed of the motor (25) by operating the output frequency of the inverter in order to adjust the amount of air sucked by the compressor (20). For example, if the cooling capacity obtained by the evaporative cooling heat exchanger (14) is excessive with respect to the cooling load of the cabin (80), the second control unit (62) sets the air intake amount of the compressor (20). Reduce. Then, the supply amount of the air electrode off-gas to the evaporative cooling heat exchanger (14) decreases, and the cooling capacity obtained by the evaporative cooling heat exchanger (14), that is, the cooling capacity, decreases. However, in this case, the air intake amount of the compressor (20) must be maintained at a value equal to or larger than the air amount necessary for the fuel cell (70) to generate the required electric power. On the other hand, if the cooling capacity obtained by the evaporative cooling heat exchanger (14) is too small for the cooling load of the vehicle compartment (80), the second control unit (62) sets the compressor (20). ) Increase the air intake volume. Then, the supply amount of the air electrode off-gas to the evaporative cooling heat exchanger (14) increases, and the cooling capacity obtained by the evaporative cooling heat exchanger (14), that is, the cooling capacity, increases.
[0080]
The second control section (62) operates the first three-way valve (42) to operate the amount of high-pressure air flowing into the fuel cell (70) and the amount of high-pressure air flowing into the first bypass passage (41). And adjust. That is, when the air intake amount of the compressor (20) is adjusted according to the cooling load of the vehicle compartment (80), the amount of high-pressure air required for the fuel cell (70) to generate the required power is: The supply amount of high-pressure air to the fuel cell (70) may be excessive. Therefore, in such a case, the second control unit (62) increases the amount of high-pressure air flowing into the first bypass passage (41) and changes the cooling capacity obtained by the evaporative cooling heat exchanger (14). Without reducing the supply of high-pressure air to the fuel cell (70).
[0081]
-Effects of Embodiment 1-
According to the first embodiment, not only the sensible heat of the air electrode off-gas expanded by the expander (23) but also the condensation generated by the expander (23) is used to cool the supply air in the evaporative cooling heat exchanger (14). The latent heat of water can also be used. Therefore, the amount of heat radiation of the supply air in the evaporative cooling heat exchanger (14) can be increased as compared with the case where only the sensible heat of the air electrode off-gas is used for cooling the supply air. Therefore, according to the present embodiment, the cooling capacity of the air conditioning system (10) can be increased as compared with the related art.
[0082]
This point will be described with reference to the psychrometric chart of FIG. Here, the state of the air electrode off-gas introduced into the evaporative cooling heat exchanger (14) is the state at point A (temperature 2 ° C., relative humidity 100%). The description will be made on the assumption that the temperature is increased to 21 ° C. after replacement.
[0083]
When only the sensible heat of the air electrode off-gas is used for cooling the supply air, the state of the air electrode off-gas at the outlet of the evaporative cooling heat exchanger (14) is the state at point B '(temperature 21 ° C., relative humidity 30%) It becomes. The cooling capacity obtained in this case is the specific enthalpy difference Q between the point B ′ and the point A. ₁ Is multiplied by the mass flow rate of the air electrode off-gas.
[0084]
On the other hand, when the sensible heat of the air electrode off-gas and the heat of evaporation of the condensed water are used for cooling the supply air, the state of the air electrode off-gas at the outlet of the evaporative cooling heat exchanger (14) is the state of point B Temperature 21 ° C., relative humidity 95%). The cooling capacity obtained in this case is the specific enthalpy difference Q between the point B and the point A. ₂ Is multiplied by the mass flow rate of the air electrode off-gas. Thus, according to the present embodiment, the enthalpy difference at the entrance and exit of the evaporative cooling heat exchanger (14) can be increased, and the cooling capacity of the air conditioning system (10) can be increased.
[0085]
Further, in the present embodiment, since the evaporative cooling heat exchanger (14) is disposed below the expander (23), the condensed water generated by the expander (23) is reliably sent to the air supply cooler. Becomes possible. Therefore, according to this embodiment, the heat of evaporation of the condensed water generated by the expander (23) can be reliably used for cooling the supply air in the evaporative cooling heat exchanger (14), and the air conditioning system (10) ) Can be sufficiently exhibited.
[0086]
Further, according to the present embodiment, the temperature of the air electrode off-gas at the outlet of the expander (23) can be reliably maintained at a predetermined value or more by the control operation performed by the first control unit (61) of the controller (60). It becomes possible. Here, depending on the operation state of the air conditioning system (10), the temperature of the air electrode off-gas at the outlet of the expander (23) may be considerably low (for example, about -10 ° C). In such a case, the condensed water generated in the expansion process in the expander (23) freezes, which may hinder the flow of the air electrode off-gas and hinder the operation of the air conditioning system (10). . On the other hand, according to the present embodiment, it is possible to maintain the temperature of the air electrode off-gas at the outlet of the expander (23) to such an extent that no problem occurs due to freezing of the condensed water. Therefore, according to the present embodiment, the operation of the air conditioning system (10) can be reliably continued.
[0087]
Further, according to the present embodiment, the control operation performed by the second control unit (62) of the controller (60) does not change the cooling capacity obtained by the evaporative cooling heat exchanger (14), and the fuel cell (70) does not change. ) Can be adjusted. Therefore, according to the present embodiment, for example, even when the operation of the fuel cell (70) is in a partial load state and the amount of high-pressure air to be supplied to the fuel cell (70) is small, the air-conditioning system (10) is exerted. Sufficient cooling capacity can be secured.
[0088]
-Modification of Embodiment 1-
As described above, in this embodiment, the temperature of the air electrode gas at the outlet of the expander (23) is kept at 0 ° C. or higher to prevent the condensed water from freezing. You don't have to. That is, even if the condensed water is frozen, if the ice generated by the freezing is snow-like fine particles, the particle-like ice can flow together with the air electrode off-gas. For this reason, depending on the structure and operating conditions of the expander (23), the operation of the air conditioning system (10) may be continued even if the condensed water is slightly frozen. Therefore, in such a case, the lower limit of the air electrode gas temperature at the outlet of the expander (23) is set lower than 0 ° C., and freezing of the condensed water is performed within a range where the operation of the air conditioning system (10) can be continued. May be tolerated.
[0089]
Further, in the present embodiment, the supply air cooled by the evaporative cooling heat exchanger (14) is supplied into the passenger compartment (80) for cooling, but the condensing heat exchanger (13) performs the air electrode off-gas. It is also possible to perform heating using cooling air that has exchanged heat with the air. That is, instead of the supply air cooled by the evaporative cooling heat exchanger (14), the cooling air heated by the condensing heat exchanger (13) is guided into the vehicle interior (80), and May be heated.
[0090]
Embodiment 2 of the present invention
The second embodiment of the present invention differs from the first embodiment in that a third bypass passage (45) is added to the air-side passage (11) and a third control unit (63) is added to the controller (60). is there. Here, differences between the present embodiment and the first embodiment will be described.
[0091]
As shown in FIG. 3, one end of the third bypass passage (45) is connected immediately before the expander (23), and the other end is connected immediately after the expander (23). The third bypass passage (45) is provided with a control valve (46) whose opening is variable. The control valve (46) controls the proportion of the air electrode off-gas sent out of the condensing heat exchanger (13) into the third bypass passage (45), and restricts and expands the air electrode off-gas (equal enthalpy). (Expansion).
[0092]
On the other hand, the third control unit (63) of the controller (60) adjusts the proportion of the air electrode off-gas sent out of the condensing heat exchanger (13) into the third bypass passage (45) by the control valve (46). ) Constitutes a control means for adjusting by the opening degree control. The third control unit (63) performs an opening operation of the control valve (46) to adjust the cooling capacity obtained by the evaporative cooling heat exchanger (14), that is, the cooling capacity of the air conditioning system (10). .
[0093]
For example, if the cooling capacity obtained by the evaporative cooling heat exchanger (14) is excessive with respect to the cooling load of the cabin (80), the third control unit (63) sends the evacuation cooling heat exchanger (14) to the evaporative cooling heat exchanger (14). The proportion of the air cathode off-gas that is expanded by the expander (23) is reduced. Then, since the temperature of the air electrode off-gas hardly changes when passing through the third bypass passage (45), the temperature of the air electrode off-gas flowing into the evaporative cooling heat exchanger (14) increases, and the evaporative cooling heat exchanger (14) The resulting cooling capacity is reduced. On the other hand, if the cooling capacity obtained by the evaporative cooling heat exchanger (14) is too small for the cooling load of the cabin (80), the third control unit (63) sets the evaporative cooling heat exchanger The proportion of the air electrode off-gas sent to the vessel (14) that is expanded by the expander (23) is increased. Then, the temperature of the air electrode off-gas flowing into the evaporative cooling heat exchanger (14) decreases, and the cooling capacity obtained by the evaporative cooling heat exchanger (14) increases.
[0094]
Third Embodiment of the Invention
Embodiment 3 of the present invention is different from Embodiment 1 in that two compressors (21, 22) are provided in the air-side passage (11). Here, differences between the present embodiment and the first embodiment will be described.
[0095]
As shown in FIG. 4, in the air-side passage (11) of the present embodiment, a first compressor (21) and a second compressor (22) are arranged in series. The first compressor (21) is connected to the motor (25). Electric power is supplied to this motor (25) via an inverter (not shown), as in the first embodiment. The first compressor (21) is driven only by the motor (25) and sucks and compresses outside air from outside the vehicle. On the other hand, the second compressor (22) is connected to the expander (23) via a drive shaft (24). The second compressor (22) is driven only by the power recovered by the expander (23), and sucks the air discharged from the first compressor (21) to further compress it. The high pressure air discharged from the second compressor (22) is supplied to the fuel cell (70).
[0096]
【The invention's effect】
According to the present invention, not only the sensible heat of the air electrode off-gas expanded by the expander (23) but also the latent heat of condensed water generated by the expander (23) is used for cooling the supply air in the air supply cooler (14). Can also be used. For this reason, compared with the case where only the sensible heat of the air electrode off-gas is used for cooling the supply air, the heat radiation amount of the supply air in the supply air cooler (14) can be increased. Therefore, according to the present invention, the cooling capacity of the automotive air conditioning system (10) can be increased as compared with the related art.
[0097]
According to the invention of claim 2, it is possible to reliably send the condensed water generated by the expander (23) to the air supply cooler (14). Therefore, according to the present invention, the heat of evaporation of the condensed water generated by the expander (23) can be reliably used for cooling the supply air in the supply air cooler (14), and the automotive air conditioning system (10) ) Can be sufficiently exhibited.
[0098]
According to the third to fifth and seventh aspects of the present invention, the condensed water generated by the condensing precooler (13) can be effectively used for the operation of the fuel cell (70) and the air conditioning system. In particular, according to the invention of claim 4, it is possible to use the condensed water generated in the condensing precooler (13) for cooling the supply air in the air supply cooler (14). According to each of the fifth and seventh aspects of the present invention, the temperature of the air electrode off-gas sent from the condensing precooler (13) to the expander (23) using the condensed water generated in the condensing precooler (13). Can be kept low, and the air electrode off-gas after expansion can be kept at a low temperature. Therefore, according to the fourth, fifth and seventh aspects of the present invention, the condensed water generated by the condensing pre-cooler (13) can be used to sufficiently secure the cooling capacity of the air conditioning system.
[0099]
According to each of the eighth to eleventh aspects, the temperature of the air electrode off-gas at the outlet of the expander (23) can be reliably maintained at a predetermined value or more by the control operation of the control means (61). Here, depending on the operation state of the automotive air conditioning system (10), the temperature of the air electrode off-gas at the outlet of the expander (23) may be considerably low (for example, about -10 ° C). In such a case, the condensed water generated in the expansion process in the expander (23) freezes and forms a large mass, which hinders the flow of the air electrode off-gas and hinders the operation of the automotive air conditioning system (10). May come. On the other hand, according to each of the above-mentioned inventions, it is possible to maintain the temperature of the air electrode off-gas at the outlet of the expander (23) to such an extent that no problem occurs due to freezing of the condensed water. Therefore, according to these inventions, it is possible to reliably continue the operation of the automotive air conditioning system (10).
[0100]
According to the twelfth aspect, the cooling capacity exerted by the automotive air conditioning system (10) can be accurately adjusted by the operation of the control means (63). Therefore, according to the present invention, the cooling capacity of the vehicle air conditioning system (10) can be adjusted according to the cooling load of the vehicle compartment, and the comfort of the vehicle compartment can be further improved.
[0101]
According to the thirteenth aspect, the control means (62) performs a predetermined operation, so that the high-pressure air is supplied to the fuel cell (70) without changing the cooling capacity obtained by the air supply cooler (14). The feed rate can be adjusted. Therefore, according to the present invention, for example, even when the operation of the fuel cell (70) is in a partial load state and the amount of high-pressure air to be supplied to the fuel cell (70) is small, the automotive air-conditioning system (10) can be used. The cooling capacity to be exhibited can be sufficiently secured.
[0102]
According to the fourteenth and fifteenth aspects, the power recovered by the expander (23) can be used for driving the compressor (20). Therefore, according to these inventions, the energy to be supplied from the outside to compress the air can be reduced, and the efficiency of the automotive air conditioning system (10) can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an air conditioning system according to a first embodiment.
FIG. 2 is a psychrometric chart for explaining effects of the first embodiment.
FIG. 3 is a schematic configuration diagram of an air conditioning system according to a second embodiment.
FIG. 4 is a schematic configuration diagram of an air conditioning system according to a third embodiment.
[Explanation of symbols]
(13) Condensing heat exchanger (condensing precooler)
(14) Evaporative cooling heat exchanger (air supply cooler)
(20) Compressor
(21) First compressor (first compressor)
(22) Second compressor (second compressor)
(23) Expander
(41) First bypass passage (bypass passage)
(43) Second bypass passage (bypass passage)
(45) Third bypass passage (bypass passage)
(50) Water tank
(61) First control unit (control means)
(62) Second control unit (control means)
(63) Third control unit (control means)
(65) Temperature sensor
(70) Fuel cell

Claims

An air conditioning system mounted on an automobile powered by a fuel cell (70),
A compressor (20) for compressing air supplied to the fuel cell (70);
A condensing pre-cooler (13) for cooling the air electrode off-gas discharged from the fuel cell (70) and condensing moisture in the air electrode off-gas;
An expander (23) for recovering power by expanding the air electrode off-gas sent from the condensation precooler (13);
The air electrode off-gas after expansion and condensed water generated in the expansion process are supplied from the expander (23), and the sensible heat of the supplied air electrode off-gas and the heat of evaporation of the condensed water are supplied to the vehicle interior. An air conditioning system for a vehicle, comprising: a supply air cooler (14) for cooling supply air.

The vehicle air conditioning system according to claim 1,
The supply air cooler (14) is an automotive air conditioning system arranged below the expander (23) such that condensed water generated by the expander (23) flows by gravity.

The vehicle air conditioning system according to claim 1,
An air conditioning system for automobiles, which is capable of humidifying air supplied from a compressor (20) to a fuel cell (70) by using condensed water generated by a condensation precooler (13).

The vehicle air conditioning system according to claim 1,
An automotive air conditioning system in which condensed water generated by a condensing pre-cooler (13) is supplied to an air supply cooler (14), and the heat of evaporation of the condensed water can also be used for cooling supply air.

The vehicle air conditioning system according to claim 4,
A water tank (50) for storing condensed water generated by the condensing precooler (13);
An automotive air-conditioning system in which condensed water that has not evaporated in the supply air cooler (14) can be collected in the water tank (50).

The vehicle air conditioning system according to claim 1,
The condensing pre-cooler (13) is an automotive air conditioning system that cools the air electrode off-gas by exchanging heat with cooling air.

The automotive air conditioning system according to claim 6,
An automotive air conditioning system in which the condensed water generated by the condensing precooler (13) is supplied to cooling air, and the heat of evaporation of the condensed water can be used for cooling the air electrode off-gas.

The vehicle air conditioning system according to claim 1,
A temperature sensor (65) for measuring the temperature of the air electrode off-gas sent from the expander (23),
A vehicle air conditioning system comprising: a control unit (61) for performing a control operation for controlling operation of the vehicle air conditioning system such that a value measured by the temperature sensor (65) becomes a predetermined value or more.

The vehicle air conditioning system according to claim 8,
The upstream and downstream of the condensing precooler (13) are communicated so that the cathode pregas bypasses the condensing precooler (13), and the condensing precooler ( 13) a bypass passage (43) capable of changing the ratio of bypasses,
The control means (61) is an automotive air conditioning system in which an operation of adjusting a ratio of an air electrode off-gas discharged from the fuel cell (70) that bypasses the condensation precooler (13) is performed as a control operation.

The vehicle air conditioning system according to claim 8,
The condensing precooler (13) cools the air electrode off-gas by exchanging heat with cooling air,
The control unit (61) is an air conditioning system for an automobile in which an operation of adjusting a supply amount of cooling air to the condensation precooler (13) is performed as a control operation.

The vehicle air conditioning system according to claim 8,
The condensing precooler (13) cools the air electrode off-gas by exchanging heat with cooling air,
The condensed water generated by the condensing precooler (13) is supplied to cooling air, and the heat of evaporation of the condensed water can be used for cooling the air electrode off-gas,
The control means (61) is an automotive air conditioning system in which the operation of changing the supply amount of condensed water to the cooling air is performed as a control operation.

The vehicle air conditioning system according to claim 1,
The upstream and downstream sides of the expander (23) are communicated so that the air electrode off-gas bypasses the expander (23), and the expander (23) of the air electrode off-gas sent from the condensing precooler (13) is used. A bypass passage (45) capable of changing the ratio of the one that bypasses the
Control means for adjusting the proportion of the air electrode off-gas which is delivered from the condensation pre-cooler (13) and which bypasses the expander (23), in order to adjust the cooling capacity obtained by the charge air cooler (14) (63) An air conditioning system for automobiles comprising:

The vehicle air conditioning system according to claim 1,
The high-pressure air discharged from the compressor (20) communicates upstream and downstream of the fuel cell (70) so as to bypass the fuel cell (70), and bypasses the fuel cell (70) of the high-pressure air. A bypass passage (41) capable of changing the proportion of objects;
The amount of air taken in by the compressor (20) is adjusted so that a predetermined cooling capacity is obtained by the air supply cooler (14), and the proportion of the high-pressure air that bypasses the fuel cell (70) is adjusted. A vehicle air-conditioning system comprising a control means (62) for adjusting the amount of power generation required for the fuel cell (70).

The vehicle air conditioning system according to claim 1,
An automotive air conditioning system in which an expander (23) is directly connected to a compressor (20) by a drive shaft (24) and uses power recovered by the expander (23) to drive the compressor (20).

The vehicle air conditioning system according to claim 1,
While a plurality of compressors (21, 22) are provided,
The first compressor (21) supplies compressed air driven by only the power obtained by the electric motor to the second compressor (22),
The second compressor (22) is an automotive air conditioning system that is driven only by the power recovered by the expander (23) and supplies compressed air to the fuel cell (70).